Skyldleikagreining - Þróunarsaga

1. Skyldleikagreining - Þróunarsaga Phenetics – Cladistics – Phylogenetics Starri Heiðmarsson flokkunarfræðingur Náttúrufræðistofnun Íslands starri@ni.is

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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)

6. 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

7. 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

8. 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)

9. 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

10. 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

11. 3 möguleg órótuð “tré” Pongo Gorilla Pongo Homo Pan Homo Gorilla Pan Pongo Pan Homo Gorilla

12. Orangútan notaðir sem rót Pan Homo Gorilla Pongo Rótin!! Pongo Homo Gorilla Pan

13. http://tolweb.org/tree/

14. Nokkur hugtök • Homo sapiens og Pan eru einstofna (monophyletic) • Gorilla og Pan eru Paraphyletic • Pongo er systurhópur mannapa (gorilla, pan og homo)

15. Dæmi um Cladogram • Tegund 1 er úthópur

16. 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

17. Nokkur hugtök • Plesiomorphy – „frumstætt“ einkenni • Apomorphy – afleitt einkenni

18. Skv. Hennig átti fullgreint tré að nýtast til nafngifta sem og aldursákvarðana

19. 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

20. Dæmi um fylki og samsvarandi tré – 46 einkenni og 44 tegundir

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

30. 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

35. 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))

36. 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)

37. 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

38. 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