400 likes | 545 Views
Skyldleikagreining - Þróunarsaga. Phenetics – Cladistics – Phylogenetics Starri Heiðmarsson flokkunarfræðingur Náttúrufræðistofnun Íslands starri@ni.is. Þróunarsaga lífsins. Menn hafa lengi reynt að afhjúpa þróunar-sögu lífsins Hér teiknað af Haeckel 1866 og byggt á hugmyndinni um 3 ríki
E N D
Skyldleikagreining - Þróunarsaga Phenetics – Cladistics – Phylogenetics Starri Heiðmarsson flokkunarfræðingur Náttúrufræðistofnun Íslands starri@ni.is
Þróunarsaga lífsins • Menn hafa lengi reynt að afhjúpa þróunar-sögu lífsins • Hér teiknað af Haeckel 1866 og byggt á hugmyndinni um 3 ríki • Huglægt og byggt á „fróðra manna“ mati
Byggði á fáum „mikilvægum“ einkennum sem valin voru eftir bestu vitund Gat ekki orðið hlutlæg fyrr en tölvur komu fram 3 teg. – 3 tré 4 teg. – 15 tré 5 teg. – 105 tré 6 teg. – 945 tré 9 teg. – 2.027.015 tré 10 teg. – 34 x 106 tré 12 teg. – 1,4 x 1010 tré 20 teg. – 1022 tré Greining Þróunarsögutrés lífsins
Hlutlægar aðferðir koma fram • Phenetics (Michener & Sokal 1957) – Numerical taxonomy • „Öll“ einkenni sett upp í fylki og tengsl hópa metin út frá sameiginlegum einkennum • Líkustu hóparnir tengjast – fellur oft saman við þróunarsögutengsl hópanna en þó ekki alltaf
Ástæður þess að tegundir hafa lík einkenni • Deila afleiddu (derived) einkenni • Deila „frumstæðu“ (ancestral) einkenni • Deila einkenni sem er ekki eðlislíkt (homologous) t.d. vængir fugla og leðurblaka, samsvarandi einkenni (analogous)
Cladistics - upprunaflokkun • Hennig (1950, 1966) þýskur skordýrafræðingur • Tengsl tegunda skýrast af sameiginlegum afleiddum einkennum en hvorki af „frumstæðum“ né samsvarandi (analogous) einkennum • „Parsimony“ – einfaldasta skýringin er líklegust
Cladistics – upprunaflokkun frh. • Þróunarsögu tegunda á að vera hægt að lesa útúr nafngiftakerfinu • Einungis má flokka saman hópa sem eru einstofna (monophyletic) – einstofna=ALLIR hópar sem eiga ákveðinn sameiginlegan forföður • Einfalt kennsluhefti í “Cladistics” má finna á: http://www.gwu.edu/~clade/faculty/lipscomb/Cladistics.pdf
Cladistics - framkvæmd • Skilgreina öll einkenni sem hægt er að nota til að reikna upprunatengslin • Skilgreina einkennastig t.d. einkennið fjöldi krónublaða: 0=3 krónublöð, 1=4, 2=5 o.s.frv. • Mikilvægt að einstök einkenni séu eðlislík (homologous) milli mismunandi hópa en ekki samsvaranir (analogous)
Cladistics – framkvæmd frh. • Tréð er oftast „rótað“ með hjálp úthóps (outgroup) sem helst er nánasta tegund sem ekki er hluti af einstofna hópnum sem rannsaka á • Síðan er það tré fundið sem er fæst skref þ.e. útheimtir fæstar breytingar • Fylki er hlaðið inn í tölvu sem síðan framkvæmir greininguna
Þróunarsaga mannapa • Til að vita hverjir eiga saman þurfum við fleiri hópa • Af þessari mynd virðast allir jafnskyldir • Bætum órangútan (Pongo) við Homo Gorilla Pan
3 möguleg órótuð “tré” Pongo Gorilla Pongo Homo Pan Homo Gorilla Pan Pongo Pan Homo Gorilla
Orangútan notaðir sem rót Pan Homo Gorilla Pongo Rótin!! Pongo Homo Gorilla Pan
Nokkur hugtök • Homo sapiens og Pan eru einstofna (monophyletic) • Gorilla og Pan eru Paraphyletic • Pongo er systurhópur mannapa (gorilla, pan og homo)
Dæmi um Cladogram • Tegund 1 er úthópur
Dreifing einkenna á tréð • Acctran – þrýstir breytingum eins neðarlega á tréð og hægt er • Deltran – þrýstir breytingum eins hátt á tréð og hægt er • Athugið t.d. einkenni c í dæminu á undan. Greinilega sett á tréð skv. Deltran
Nokkur hugtök • Plesiomorphy – „frumstætt“ einkenni • Apomorphy – afleitt einkenni
Skv. Hennig átti fullgreint tré að nýtast til nafngifta sem og aldursákvarðana
Cladistic byltingin • Náði ekki að velta nafngiftakerfi Linnés úr sessi þó eru hugmyndir uppi um nýtt kerfi er byggir á þróunarsögutrjám – Phylocode • Vegna mishraðrar þróunar þá brustu vonir manna um að trén myndu gefa “absolut” aldur • Einstofna hugmyndafræðin er hins vegar viðurkennd
Dæmi um fylki og samsvarandi tré – 46 einkenni og 44 tegundir
Consensus tré • Oftast eru nokkur til mörg tré styst • Því þarf að finna út “consensus” tré sem sýnir bara þá hópa sem eru til staðar í öllum trjánum
Hvaða tré má treysta? • CI-consistency index, m/s (m=lágmarksfjöldi breytinga, s=fjöldi breytinga) • Bremer-index, Lengd trésins+1 og athugað hvaða hópar halda í “consensus” trénu • Einnig fleiri mælikvarðar s.s. RI-retention index og HER-homoplasy excess ration
Hvaða greinum má treysta? • Bootstrap – Tekið er tilviljanakennt úrval úr fylkinu og það greint, þetta gert t.d. 10.000x og athugað hve oft mismunandi hópar koma fyrir • Jack-knife – Eytt er tilviljanakenndu úrvali úr fylkinu og það greint, gert t.d. 10.000x
Útlitseinkenni, efnafræði • Takmarkaður fjöldi útlitseinkenna nýtist við þróunarsögugreiningar • Erfitt að átta sig á eðlislíkum einkennum milli lítt skyldra hópa • Ákvörðun ólíkra stiga útlitseinkenna oft huglæg
DNA • Auðvelt að afla gagna síðan PCR kom fram • Mikill fjöldi einkenna með skýrt afmörkuð stig (cgta) • Þróast mishratt og því hægt að velja svæði sem hentar
DNA, frh • Oft erfitt að sjá hvaða basar eru eðlislíkir (homologous) • Þess vegna er “alignment” afar mikilvæg • Einnig eru sumir hlutar genamengisins endurteknir – er öruggt að allar endurtekningar séu eins • “Long branch attraction” – Óskyldar greinar geta virst skyldari vegna samsvörunar
Dæmi! • Korpur (Dermatocarpon) ættkvísl sveppa sem mynda fléttur • Sýna all nokkurn breytileika í útliti (polymorphic) og því vonlaust að greina þróunarsöguna út frá útlitseinkennum • Raðgreind voru 46 sýni af korpum og tvö sýni af pírum (Catapyrenium) sem notað var sem úthópur
Þróunarsaga korpa • Raðgreint var ITS1-5.8S-ITS2 svæðið í rDNA • Fylkið hafði 580 einkenni, 323 voru eins, 81 einkenni var “autapomorphy” og 176 einkenni voru parsimony-upplýsandi
Keyrslan • 324 jafnlöng stystu tré fundust • Stuðningur við einstakar greinar var metinn með Jack-knife (10.000x og ca 37% einkenna eytt) • Stuðningur einnig metinn með MrBayes (sýnir eftirálíkindi, ekki Parsimony aðferð) • CI=0,59 og RI=0,78
DNA og parsimony • Parsimony byggir á einföldustu skýringu og skv. Hennig þá ber ekki að vigta einkenni • Vitað er að stökkbreytingar á bösum DNA-keðjunnar eru mislíklegar (3 basi próteinkóðandi gena, purin (AG) vs. pyramidin (CT))
Maximum likelihood • Byggir á módeli um líkindi þess að einstakir basar breytist í aðra • Reiknar eftir á líkindi byggt á módelinu • Sýnt hefur verið fram á að ML-aðferðir greina oftar rétta þróunarsögu en parsimony aðferðir (með tilbúnum gögnum sem hafa “þróast” í tölvu)
Í dag eru langflestar þróunarsögugreiningar gerðar með ML-aðferðum meðan þeim fækkar sem nota parsimony • Phenetic-aðferðir enn notaðar í einhverjum mæli í sambandi við örverufræði • http://evolution.genetics.washington.edu/phylip/software.html
Mikið notuð forrit meðal flokkunarfræðinga • PAUP* - Phylogenetic Analysis using Parsimony (and other methods)-http://paup.csit.fsu.edu/about.html • MrBayes – (eftirálíkindi byggð á Bayesian inference) http://morphbank.ebc.uu.se/mrbayes/ • MrModeltest - (ráðleggur um model fyrir DNA-þróun) http://www.ebc.uu.se/systzoo/staff/nylander.html