tema 4: očuvanje genetičke raznolikosti - vuka.hr · pdf file(tehnologija) njezina...

Uvodna misao - U posljednja tri desetljeća, razvilo se novo područje konzervacijske genetike s dvije temeljne zadaće: (a) točan opis genetičkih promjena koje utječu na

opstojnost populacija koje se javljaju uslijed smanjivanja površine prirodnih područja i pada veličine populacija, i (b) primjena genetičkog pristupa na uspješno upravljanje

ugroženim populacijama.

O čemu ćemo učiti u sklopu ove teme:

• Problemi genetike vezani uz male populacije.• Tehnike za točnu genetičku procjenu jedinki i populacija.• Mjerenje genetičkih odrednica jedinki i populacija.• Primjena genetike u umjetnom uzgoju i očuvanju prirodnih populacija.

Tema 4: Očuvanje genetičke raznolikosti

Zašto konzervacijska genetika?

• Kriza izumiranja vrsta koja se javila 1960-tih godina ubrzo je postala usredotočena na genetičku raznolikost i genetičku opstojnost populacija.

• Razvoj (moleklarne) genetike - problematika konzervacijske genetike i danas je usredotočena na opisivanje i razjašnjavanje genetičkih varijacija. Ono što se promijenilo je sposobnost (tehnologija) njezina razjašnjavanja (od Mendela do modernih genetičkih tehnika, npr. elektroforeza).

• Raščlamba genetičkih (DNA) "otisaka prstiju".• Očuvanje bioraznolikosti kroz (1) očuvanje najvećeg mogućeg

evolucijski potencijala i (2) razvoj evolucijske etike - opstojnost drugih vrsta dio su opstojnosti čovjeka.

• Pardigma male populacije - usredotočena na osobine malih populacija i čimbenike koji ih održavaju malim.

• Paradigma populacije koja se smanjuje - usredotočena na čimbenike odgovorne za opadanje populacije bez obzira na njezinu veličinu.


Genetika malih populacija:

• Konzervacijska je biologija znanstvena disciplina koja se bavi sudbinama populacija koje su pojedinačno određene i međusobno razlučive prema svom genetičkom sastavu (građi).

• Ta, jedinstvena, genetička građa ne samo da razlučuje jednu populaciju od druge već određuje i sposobnost populacije za prilagodbom u (stalno) promjenljivom okolišu te mogućnost nastanka novih vrsta.

• Očuvanje genetičke raznolikosti temelj je i osnova za sve konzervacijske aktivnosti jer je genetička raznolikost uvjet evolucijske prilagodbe, a ta prilagodba je ključ dugoročnog opstanka svake vrste.

• Radi osiguranja opstanka vrste, dva su cilja rada konzervacijskih biologa na području genetike:1. sprječavanje nakupljanja i zadržavanja štetnih alela koji mogu doprinijeti razvoju

problema s križanjem u srodstvu i na taj način nakupljanju štetnih mutacija (kratkoročno - povećanje preživljavanja i plodnosti unutar malih populacija),

2. očuvanje značajne količine nasljednih varijacija u biljnim i životinjskim populacijama, a posebice malim, izumiranjem ugroženim populacijama (dugoročno - očuvanje evolucijskog potencijala i prilagodljivosti na promjene u okolišu).



Pet glavnih genetičkih ugroza malih populacija:

(1) Smanjenje genetičke raznolikosti križanjem u srodstvu(2) Gubitak genetičke raznovrsnosti i smanjenje heterozigotnosti(3) Nakupljanje štetnih mutacija gena(4) Hibridizacija i stapanje s većim populacijama(5) Izrođivanje (metapopulacija)


Populacijsko usko grlo:

• Najmanja veličina populacije uzrokovana urušavanjem populacije. • Demografski događaj koj uključuje smanjenje genetičke različitosti, raznolikosti alela,

povećano križanje u srodstvu što dovodi do gubitka heterozigotnosti i genetičke snage. • Šteta ovisi o broju naraštaja kroz koji se javlja.• Preostale jedinke i njihovi geni sadrže samo mali dio genetičke raznovrsnosti izvorne

populacije.• Gubitak genetičke raznovrsnosti vodi gubitku heterozigotnosti i (genetičke) snage

populacije uslijed većeg omjera (ispoljavanja) recesivnih alela u homozigotnom obliku.• Mnogi recesivni geni imaju štetne pa čak i smrtonosne posljedice po jedinke.


Genetičko smicanje:

• Razmnožavanje jedinki s neuobičajenim genotipom ima veći učinak (doprinos na genetičku raznovrsnost u malim populacijama.

• Utjecaj genetičkog smicanja (teoretski) se računa za "savršenu" populaciju u kojoj svaka jedinka svojim gametama podjednako doprinosi genetičkoj zalihi slijedećeg naraštaja.

• Stvarne populacije rijetko se ponašaju po tom "savršenom" obrascu.

• Slučajna i usmjerena promjena u razdiobi gena unutar populacije.• Dešava se kod svih populacija (i malih i velikih).• Posebno opasno u malim populacijama koje su izložene populacijskom uskom grlu kroz

više naraštaja.• Najočitije kod malih populacija bez donosa svježeg genetičkog materijala (izolacija)

naseljavanjem došljaka iz susjednih lokalnih populacija (metapopulacija).• Vodi gubitku heterozigotnosti i zadržavanju štetnih alela.


• Stupanj gubitka heterozigotnosti (H) u izravnoj je vezi s veličinom populacije (N) i brojem naraštaja (t).

Ht = H0[1-1/(2N)]t

• Što je populacija manja (manja vrijednost N) veći je pad heterozigotnosti.

• Što je veći broj naraštaja (t) s malom populacijom (pupulacijsko usko grlo duže traje) veći je pad heterozigotnosti.

• Populacija od 50 jedinki gubi samo 1% heterozigotnosti, dok populacija od 10 jedinki gubi 5% heterozigotnosti u svakom naraštaju.

• Ono što mala populacija (10 jedinki) izgubi u jednom naraštaju, velika (50 jedinki) izgubi kroz 5 naraštaja.


Učinkovita veličina populacije:

Najmanja opstojna populacija - najmanji broj jedinki potreban za očuvanje populacije (pravilo 50/500, primjer geparda).

Učinkovita veličina populacije (Nu) - predstavlja veličinu populacije u kojoj se jedinke međusobno pare po načelu slučajnosti i koja je podvrgnuta istoj količini genetičkog smicanja kao i točno određena "stvarna" populacija.Ø Učinkovita veličina populacije utjecana je mnogim čimbenicima: promjenama u broju

potomaka, promjenama omjera jedinki različitih spolova, promjenama u broju jedinki te odstupanjem od obrasca parenja po načelu slučajnosti.

Nu = 4Nm x Nž / Nm + Nž

• Dva primjera kod jelena (100 jedinki u populaciji):Nu = 4 x 50 X 50 / 50 + 50 = 100 (parenje jedan na jedan)

Nu = 4 x 10 x 90 / 10 + 90 = 36 (haremski tip parenja)Ø Genetičko smicanje kod 36 jedinki koje se pare po slučajnom obrascu jednako je genetičom

smicanju 100 jedinki i vodi povećanom križanju u srodstvu i gubitku genetičke različitosti -posebice važno kod različitih programa "umjetnog" uzgoja. Iako populacija broji 100 jedinki, upravljamo zapravo samo s 36 jedinki.


Križanje u srodstvu:

• Problem pronalaženja spolnog partnera u malim populacijama nadopunjen je s problemom izbora "pogrešnog" spolnog partnera koji je bliži srodnik i s kojim jedinka dijeli mnogo istih gene (primjer australskih Aboridžina - "skin names")

• To dovodi do križanja u srodstvu, i na taj način do smanjenog broja potomaka i njegova preživljavanja.

• Pojavljuje se u svim populacijama bez obzira na njezinu veličinu, a negativan učinak ispoljava naročito u malim populacijama:Ø učestalost križanja među bliskim

srodnicima raste,Ø heterozigotnost je kod potomaka

smanjena što smanjuje mogućnost populacija da odgovori na promjene u okolišu,

Ø (polu)smrtonosni recesivni aleli pojavljuju se (ispoljavaju) u homoziotnom obliku,

Ø broj potomaka opada a njihova smrtnost raste,

Ø populacija postaje još manja što povećava učestalost križanja među bliskim srodnicima (točka 1) - pozitivna povratna sprega.


Križanje i stapanje različitih životinjskih vrsta:

• Križanci su potomci spolnog razmnožavanja jedinki različitih vrsta.• Križanci su obično podložni različitim manama koje nisu urođene čistim jedinkama:

Ø neplodnost,Ø smanjeni rasplodni uspjeh (u slučaju plodnosti) jer ih pripadnici "čistih" vrsta iz kojih su

proizašli teško prepoznaju kao moguće spolne partnere.• Stoga je križanje pripadnika različitih vrsta gubitak u rasplodnom naporu koji

poduzimaju jedinke roditelji te gubitak u rezultatima rasploda, što si jedinke u malim populacijama ne mogu priuštiti.

• Tako uzimanje i ugradnja stranih gena u genom neke (rijetke, ugrožene) vrste kroz duže vrijeme dovodi do stapanja te vrste s onom koja je česta.

• Problem zakonske zaštite križanaca (posebice križanaca neke rijetke i ugrožene vrste s nekom čestom, obično stranom vrstom) nije na zadovoljavajući način obrađen u međunarodnom i domaćem zakonodavstvu.

• Primjer crvenog vuka (Canis rufus) koji je u divljini izumro oko 1975. godine.• Mogući hibridi s vukom (Canis lupus), kojotom (Canis latrans) i psom (Canis familiaris).• Do sada nisu utvrđene genetičke odrednice svojstvene za tu vrstu (vjerojatno rezultat

prijašnjeg križanja i stapanja s kojotom).• Postavlja se pitanje treba li nastaviti sa skupim umjetnim uzgojem i ponovnim

naseljavanjem crvenog vuka na prijašnje područje rasprostranjenja zbog opasnosti od stapanja s vukom, kojotom ili psom prije nego se stvori dovoljno velika populacija koja će se razmnožavati "unutar sebe".


Križanje kod biljaka - ugroza ili korist za zaštitu biološke raznolikosti:

• Za razliku od životinjskih vrsta koje se rijetko križaju, biljne se vrste slobodno i često križaju, a križanci su najčešće sposobni se ploditi s drugim križancima ili s roditeljskim vrstama.

• Dugo se križanje među biljnim vrstama smatralo prirodnom pojavom i važnim doprinosom prilagodljivosti biljnih vrasta na uvjete okoliša (dovodi do specijacija).

• Križanje kod biljnih vrsta smatra se danas ili:(1) opasnoću za rijetke i/ili ugrožene vrste koje se stapaju s čestim srodnicima i na taj

način postaju još ugroženije pa i (stapanjem) nestaju, ili(2) koristi za zaštitu i očuvanje opće biološke raznolikosti jer su područja u kojima dolazi

do križanja između dvije biljne vrste bogatija u ne-biljnoj sastavnici biološke raznolikosti (posebice kukaca i gljiva):(a) vrste koje su isključivo vezane samo za jednu ili drugu biljnu vrstu, zajedno se pojavljuju na križancima,(b) zone križanja su genetička istoznačnica za "učinak ruba" kod susreta različitih tipova staništa.

• Stoga područja zahvaćena križanjem biljnih vrsta mogu biti značajna središta/izvorišta biološke raznolikosti.


• Najveći broj potomstva kojeg svaka jedinka može proizvesti (R),

• Zbog nakupljanja štetnih mutacija smanjuje se sposobnost potomstva za preživljavanjem (do spolne zrelosti)

• Ako preživljavaje potomstva padne ispod 1/R stopa razmnožavanja po jedinki pada ispod jedan te započinje mutacijsko rastakanje populacije (pad veličine populacije).

• Na populacijsku scenu tada stupa genetičko smicanje koje dodatno pojačava nakupljanje štetnih mutacija.

• Mutacijski razredi (0, 1, 2, 3 .... mutacije) - ukoliko nestane 0-ti mutacijski razred ne može se više nikada nadomjestiti jer ostali razredi već nose barem jednu štetnu mutaciju.

Mutacijsko rastakanje populacije:• Uz genetičko smicanje i križanje u srodstvu, nakupljanje štetnih mutacija također može

nesrazmjerno utjecati na (snagu, fitnes) male populacije.


Genetičke tehnike:• Uz poznavanje snaga i slabosti različitih tehnika moguće je ne samo izabrati onu

najpogodniju za razrješavanje problema već i onu koja neće dovesti do pogrešnog tumačenja ili neprimjerene primjene takvih podataka.

Alozimska elektroforeza - jedna od najčešće korištenih tehnika. Utvrđuje genetičku različitost na molekularnoj razini (bjelančevine). Omogućava usporedbu (stupanj genetičke srodnosti) jedinki, populacija ili vrsta.

Polimerazna lančana reakcija (PCR) - standardna genetička tehnika koja je značajno unaprijedila konzervacijsku biologiju i upravljanje prirodom. Temelji se na umnožavanju malog odsječka DNA (jedan gen) i koristi se za određivanje genotipa pojedinih jedinki.

DNA "otisci prstiju" - upotrebljava tkz. satelitsku DNA, kratke odsječke DNA koja se ponavlja u genomu i do milijun puta a njezina dužina svojstvena je svakoj jedinci.

Mitohondrijska DNA - mitohondriji su organeli koji imaju samo njima svojstvenu DNA, a naslijeđuju se po majci. Najpogodnije za mjerenje filogenetičke srodnosti.

• U većini slučajeva potrebno je zajednički koristiti više tehnika radi izbjegavanja pogrešnih tumačenja i zaključaka.


Mjerenje genetičkih osobina jedinki i populacija:• Brojni uzgojni programi omogućili su razvoj i provjeru točnih načina mjerenja genetičkih

osobina jedinki i populacija i na taj način upravljanje populacijama u zatočeništvu i/ili uzgoju.

• Uz doradu, takve metode mogu biti primijenjene i na prirodne populacije te njihovo upravljanje.

• Neke mjere genetičke raznolikosti ne razlikuju se bitno od (iste su kao) mjere raznolikosti zajednica (tema 4.) Shannon-ov indeks (mjera raznolikosti vrsta u životnoj zajednici) moguće je upotrijebiti s jednakom točnošću, jedino se razmjerna zastupljenost vrsta u zajednici zamijeni s razmjernom zastupljenosti alela u populaciji.

• Slično, Simpson-ovim indeksom (prevladavanja) kojim se mjeri građa životne zajednice (procjenjuje vjerojatnost kojom dvije nasumice izabrane jedinke u zajednici pripadaju istoj vrsti), može se mjeriti očekivana razina heterozigotnosti ukoliko se relativna brojnost vrsta zamijeni s zastupljenošću alela:

C = Σipi2

• Ove (ovakve) mjere osiguravaju uvid u genetičku raznolikost populacije i upotrebljavaju se za procjenu različitih pristupa u uzgojnim programima.

• Unatoč tome (za zaštitu prirode) najsmislenije genetičke mjere neke populacije često nisu one vezane uz raznolikost već uz silnice koje (negativno) utječu na genetički izgled populacije (križanje u srodstvu, genetičko smicanje) što nam onda omogućuje određivanje učinovitih mjera zaštite i upravljanja.


(1) kao mjera zajedničkog rodoslovlja u majčinskoj i očevskoj crti svake jedinke (pedigre srodstveno križanje),

(2) kao mjera genetičkog smicanja u konačnoj (zatvorenoj, ograničenoj) populaciji,

Fd(t) = 1 - [1 - 1/2N]t

• Što je manja populacija brže će postati srodstveno križana.

• Genetičko smicanje uzrokuje povećanje prosječne vjerojatnosti srodstvenog križanja i pad genetičke različitosti.

(3) kao mjera načina (sustava) parenja unutar populacije koja se rasplođuje (panmiktički indeks).

• Učinak svake od ove tri mjere srodstvenog križanja raste što se veličina populacije smanjuje.

Mjerenje križanja u srodstvu i genetičkog smicanja u malim populacijama - tri su biološka značenja srodstvenog križanja:


Kako se genetički podaci i tehnike koriste u zaštiti prirode:Pet je temeljnih načina korištenja genetičkih podataka u zaštiti prirode:

Genetika rasvjetljava srodstvene odnose, taksonomiju i filogeniju - razrješavanje srodstvenih odnosa i taksonomije odgovor je na temeljna pitanja očuvanja biološke raznolikosti (pa tako i konzervacijske biologije) - koliko zapravo vrsta postoji i sa čime zapravo baratamo? (primjer arktičkih i antarktičkih populacije kitova ubojica, primjer morskih kornjača Lepidochelis kempi - L. olivacea).

Genetičke tehnike određuju stupanj protoka gena među populacijama - važna sastavnica u procjeni izoliranosti populacija (fragmentacija) i određivanju načina zaštite i upravljanja mnogim vrstama. U slučaju malog protoka i izmjene gena među populacijama, potrebno je zaštititi i očuvati mnogo populacija, a ne samo onih nekoliko u zaštićenim područjima. Posebice ako veliku genetičku različitost nalazimo između populacija a ne unutar populacija, svaka pa i najmanja populacija vrijedna je napora zaštite.

Genetičke tehnike procjenjuju vrijeme proteklo od posljednjeg populacijsog uskog grla - poznavajući stopu nakupljanja genetičkih promjena i trenutnu genetičku šarolikost mitohondrijske DNA neke populacije, moguće je unatrag procijeniti koliko je vremena bilo potrebno za nastanak takve genetičke šarolikosti.


Genetičke tehnike mogu rasvijetliti obrasce reproduktivne ekologije - jedinstveni rukopis mitohondrijske DNA odeđuje populacije pa čak i pojedine ("obiteljske") skupine unutar populacije i daje uvid u obrasce njihova razmnožavanja - primjer slonova (matrijarhat), primjer morskih kornjača i (privrženosti rodnoj pješčanoj plaži za razmnožavanje).

Umjetni uzgoj (upotreba genetičkih tehnika za oporavak genetičke raznolikosti i veličine populacije - Umjetni uzgoj (uzgoj u zatočeništvu) ima jednostavnu zadaću -ponuditi privlačno osnaženje složenim geo-političkim naporima očuvanja staništa (suvremena inačica Noine arke) kroz:

(1) nadomjestak za jedinke (i populacije) iz prirode koje se koriste za temeljna biološka istraživanja,

(2) razvoj metoda i tehnika uzgoja i upravljanja,(3) stvaranje demografskih i genetičkih zaliha koje mogu oporaviti ili vratiti prirodne

populacije,(4) očuvanje posljednjih ostataka onih vrsta koje nemaju trenutnu mogućnost za opstanak u

prirodnom staništu.• Umjetni se uzgoj danas temelji na načelima populacijske genetike i demografije.• Dugoročno nastoji očuvati ili barem smanjiti promjene u genetičkoj građi populacije

(genetička raznolikost, evolucijski poencijal, heterozigotnost).


Za one koji žele znati više:• Knjige s tematikom opće genetike,

genetike populacije, filogenetike, molekularne genetike.

• Stručni i popularni časopisi iz opće genetike, populacijske genetike, filogenetike, molekularne genetike.

• Priručnici za tehnike molekularne biologije

• Internet - molekularna biologija i zaštita prirode (conservation), molekularna genetika i zaštita prirode, filogenetika, populacijska genetika

tema 4: očuvanje genetičke raznolikosti - vuka.hr · pdf file(tehnologija) njezina...

Documents