Ugrás a tartalomhoz

Erdészeti - természetvédelmi genetika

Mátyás Csaba

Mezőgazda Kiadó

Populációk differenciálódása

Populációk differenciálódása

Metapopulációk kialakulása

A genetikai struktúra kialakulásánál a génáramlás mint kiegyenlítő erő jelentkezik a helyi adaptációval szemben. A két genetikai hatás egyensúlya, ill. aránya fogja eldönteni a populációk közötti strukturálódás mértékét (60. ábra). Amennyiben az área összefüggő, a faj genetikai rendszere által meghatározott génáramlás fontos szerepet fog játszani a differenciáló hatások kiegyenlítésében. Nem kontinuus elterjedés, vagy gyenge génáramlás esetén a genetikai elkülönülés alakításában a véletlen drift növekvő szerepet játszik.

60. ábra - Két, helyi viszonyokhoz adaptálódó populáció genetikai elkülönülésének esélyei a génáramlás és izoláció függvényében. Az elkülönülés a harmadik esetben lesz a legerősebb, függetlenül attól, hogy a szelekció erőssége mindhárom esetben változatlan (Mátyás Cs., eredeti)

Két, helyi viszonyokhoz adaptálódó populáció genetikai elkülönülésének esélyei a génáramlás és izoláció függvényében. Az elkülönülés a harmadik esetben lesz a legerősebb, függetlenül attól, hogy a szelekció erőssége mindhárom esetben változatlan (Mátyás Cs., eredeti)


Az egymáshoz közeli populációk a génáramlás révén genetikailag összeköttetésben állnak, és un. metapopulációkat alkotnak. A metapopuláció fogalmát Levins (1968) vezette be. Térbelileg többé-kevésbé elkülönült populációk helyi együttesét jelenti, ahol a részpopulációkat egymással migrációs kapcsolatok kötik össze. Az egyes részpopulációk fennmaradása időleges, állományuk egy idő után eltűnhet, egyidejűleg máshol új kolonizációk keletkeznek. Metapopulációk az élőhelyek fragmentálódása miatt emberi tevékenység hatására is létrejönnek. A metapopuláció koncepció alkalmazása a dinamikus természetvédelemben fontos szerepet játszik (Faragó, 2000).

„Szomszédságok” elkülönülése

A természetesen felújuló populációk esetében gyakorta felmerülő kérdés, hogy a szomszédos vagy közeli fák nagyobb valószínűségű termékenyítése vezet-e rokonsági csoportok („genetikai szomszédságok” – neighbourhoods) kialakulásához.

Kis populációkban előforduló, és jelentéktelen génáramlást felmutató fajok esetében az effektív populációméret (a potenciálisan párosodó egyedszám) és a szomszédság egybeesik. Az összefüggő elterjedéssel és erőteljes génáramlással rendelkező fajok esetében a szomszédságot a következőképpen határozzuk meg: az elterjedési terület azon alegysége, amelyen belül az ivarérett egyedek megközelítőleg hasonló valószínűséggel vannak képviselve a szomszédság közepén létrejövő utódnemzedék génkészletében. A definíció szerint a génáramlás távolságfüggő egy adott kontinuumon belül; erősségétől fog függeni azon egyedek körének a nagysága, amelyek elfogadható valószínűséggel leszármazási kapcsolatban vannak és egy szomszédsághoz tartoznak. A szomszédságok létezésének kérdése a szaporítóanyag-begyűjtés és a génmegőrzés szempontjából játszik szerepet, azaz tekintettel kell-e lenni rokonsági kapcsolatokra a populáción belül.

Még a legfrissebb irodalomban is feltűnnek olyan vélemények, amelyek a szomszédságok méretét rendkívül kicsinek adják meg, pl. Boshier (in: Youngs et al., 2000) amerikai Pinus és Pseudotsuga vizsgálati eredmények alapján mintegy 30 m sugarú körben tételez fel közeli rokonokat. Hatékony terjedési, ill. génáramlási mechanizmussal rendelkező fajok esetében pedig a szomszédság méretének nagynak, a szomszédságon belüli rokonsági kapcsolatnak távolinak kell lennie.

A szomszédság mérete a következő faji-elterjedési jellemzők mellett kisebb – és ezzel együtt a fajon belüli differenciáltság nagyobb, ha:

  • az elterjedés lineáris (pl. folyók mentén),

  • az egyedsűrűség alacsony,

  • a migrációs és génáramlási ráta alacsony,

  • gyakori az önbeporzás,

  • erősen ingadozik a populáció-létszám,

  • nagyon eltérőek az egyedenkénti utódlétszámok, valamint

  • kétlaki faj esetében egyenlőtlenségek vannak az ivararányban (egylaki fajnál: egyenlőtlen hím- és nővirágzási arányok).

A közeli rokonságon alapuló szomszédságok létezését a széles elterjedésű, hatékony migrációs rendszerrel rendelkező fajok esetében az idegenbeporzás magas aránya miatt valószínűtlennek kell tartanunk. A migráció hatékonyságára másutt (a 4. fejezetben) részletesen kitértünk. A szomszédságok genetikai elkülönülése azért is tűnik kevéssé valószínűnek, mert még az ökotípusok fennmaradása is erőteljes és folyamatos szelektív hatásokat feltételez.

Fontos

Rokoni csoportok hiánya a cirbolyafenyő esetében

A fenyőknél megfigyelhető enyhe beltenyésztettség az embrionális populációkban még annak ellenére is kimutatható, hogy az önmegporzott kombinációk jó része a le-tális génhatások miatt elpusztul (33. ábra). Krutovskii ét ál. (1995) a Cembrae alszek-ció Pinus fajaira átlagosan 15% önmegporzást mutatott ki a tobozokból kipreparált embriók adatai alapján. A legmagasabb értéket egy Kőrösmező környéki, kárpátaljai cirbolyafenyő populáció érte el 31%-kal. Az elemzés alapján megállapítható volt, hogy a beltenyésztés szinte kizárólag önmegporzás, és nem rokonok közötti pároso-dás nyomán jött létre. Ez a tény aláhúzza azt a körülményt, hogy a vizsgált populációkon belül nincsenek közeli rokonságban lévő szomszédságok, al-populációk.

Saját allélok terjedése az utódállományban

Egy természetesen újuló erdeifenyvesben Yazdani (1985) izoenzimmarker-allélok terjedését vizsgálta az újulatban. Az anyafától való távolság függvényében a szülő allélját hordozó utódok megoszlása az alábbiak szerint alakult:

0–5 m

4%

5–10 m

8%

10–15 m

11%

15–50 m

75%

Ezeket a meglepő adatokat más vizsgálatok is megerősítették. Így pl. Tigerstedt és mtsai (1982) egy 300–400 éves dél-finnországi erdeifenyő állományt és az öreg fák alatt fejlődött 80 éves utódaikat elemezték 4 izoenzim-lokuszon. A szülő- és utódnemzedék allélgyakorisága jelentős mértékben eltért, ezen belül a szülőegyedek alatt található újulat nem mutatott genetikai kapcsolatot az anyafával. Emiatt az újulatban semmilyen rokonsági struktúra („szomszédság”) nem volt kimutatható. A jelenség valószínűleg a faj jellegzetes felújulási dinamikájával függ össze (a saját utódnemzedék felújulásának valószínűsége a szülők alatt kisebb, mint távolabb keletkező lékekben).

Az összefüggő állományokkal rendelkező, elterjedt fafajokra érvényes az a megállapítás, hogy a beporzó partnerek 50%-nál nagyobb aránya egy szűkebb szomszédságon kívülről érkezik. Az erdei fák felújulási és kompetíciós dinamizmusa is számos olyan elemet hordoz, amelyek rokonsági csoportok kialakulását, a popláción belüli további strukturálódást akadályozzák. Ennek ellenére a génmegőrzés célú szaporítóanyag-gyűjtésnél az esetleges rokonpárosodás kiküszöbölésére törekedni kell (l. a génmegőrzés fejezetben), mivel a genetikai rendszer sajátosságai egyes fajok esetében előidézhetnek ilyen hatásokat, egy ritka példát az 61. ábra mutat be. Rovarporzó fajok esetében a szomszédság nagyságát a rovar táplálkozási szokásai befolyásolhatják. A rovarporzó és magját rosszul terjesztő Eucalyptus globulus esetében a beltenyésztési leromlás révén kimutatható, hogy a párosodás elsősorban a közeli, 25–50 m távolságban álló fák között jön létre, a 250 m-re álló egyedek között ugyanolyan kevés rokonság mutatható ki, mint a 10 km-re lévők között (61. ábra).

61. ábra - Eucalyptus globulus utódnemzedékek 4 éves kori átlagtérfogata (és az átlag szórása) egy kiválasztott egyedtől való távolság függvényében (öb: önbeporzott populáció). A közeli szomszédokkal létrehozott keresztezések szignifikánsan gyengébb növekedését beltenyésztési leromlással magyarázzák a szerzők, ami rokonsági struktúrák létezését veti fel ennél a fajnál (Hardner et al., 1998)

Eucalyptus globulus utódnemzedékek 4 éves kori átlagtérfogata (és az átlag szórása) egy kiválasztott egyedtől való távolság függvényében (öb: önbeporzott populáció). A közeli szomszédokkal létrehozott keresztezések szignifikánsan gyengébb növekedését beltenyésztési leromlással magyarázzák a szerzők, ami rokonsági struktúrák létezését veti fel ennél a fajnál (Hardner et al., 1998)


A hazai rovarporzó fajokra ilyen vizsgálatok egyelőre hiányoznak. Mesterséges állományokban rokonsági struktúrák természetesen nem jöhetnek létre.

Kvantitatív változatosság strukturáltsága

A fafajok populáción belül fenntartott genetikai diverzitására az eddigiek számos példát szolgáltattak. A szoros termőhelyi alkalmazkodás korlátjainak egyik legerősebb bizonyítéka azonban az adaptív tulajdonságokban fellelhető populáción belüli diverzitás. Jó példa erre a vegetáció befejezésének időpontja, azaz a rügyképzés dátuma. Egyetlen populáción belül a genotípusok között nagyobb szórás figyelhető meg, mint a populációk átlagértékei között annak ellenére, hogy egyértelműen adaptív tulajdonságról van szó (62. ábra).

62. ábra - Erdeifenyő származások növekedésének befejezése (rügyképzés) a Kámoni Arborétumban 1983 őszén. Az ábrán adott időpontban rügyet képzett csemeték százalékos aránya szerepel. Figyelemre méltó, hogy a származások közötti különbség (A) kisebb, mint az egyedek között (B) egyetlen populáción belül (Mátyás Cs., 1987). Vö. a 72. ábrával!

Erdeifenyő származások növekedésének befejezése (rügyképzés) a Kámoni Arborétumban 1983 őszén. Az ábrán adott időpontban rügyet képzett csemeték százalékos aránya szerepel. Figyelemre méltó, hogy a származások közötti különbség (A) kisebb, mint az egyedek között (B) egyetlen populáción belül (Mátyás Cs., 1987). Vö. a 72. ábrával!


A számmal jelölt származások földrajzi koordinátái:

1 = Szerebrjanszkoje (RU)

59° 58' É. szél.

33° 30' K. hossz.

2 = Suprasl (PL)

53° 12' É. szél.

23° 22' K. hossz.

3 = Spala (PL)

51° 37' É. szél.

20° 12' K. hossz.

4 = Pornóapáti (H)

47° 20' É. szél.

16° 28' K. hossz.

5 = Grönendaal (NL)

50° 40' É. szél.

4° 26' K. hossz.

6 = Çataçik (TR)

40° 00' É. szél.

31° 10' K. hossz.

Varianciaarányok populáción belül és populációk között

Varianciaarányok az utódnemzedékekben: az adaptivitás értékelése

Könnyen belátható, hogy azon tulajdonságok, amelyek a rátermettségggel szoros kapcsolatban állnak, az adaptáció által jobban befolyásoltak, azaz eltérő feltételek között tenyésző származások (populációk) átlagai között aránylag nagyobb különbséget mutatnak. Ugyanakkor a populáción belül ezekre a tulajdonságokra viszonylag kisebb változatosság várható el[19]. Egy tulajdonság adaptív értékére tehát közvetett bizonyítékot kaphatunk a populációk közötti és a populáción belüli genetikai varianciakomponensek egybevetése révén. Minden okunk megvan annak feltételezésére, hogy a magasság- és az átmérőnövekedés, ill. az azt meghatározó tulajdonságok (pl. fenológia, növekedési ritmus) szoros kapcsolatban állnak a klimatikus adaptációval. Ezen tulajdonságok tekintetében a származás (populációk) közötti komponens általában meghaladja a szülőegyedek, ill. utódnemzedékeik közötti (szülőállományon belüli) genetikai komponens nagyságát, és határozott földrajzi-klimatikus változatossági mintázatot mutat.

A továbbiakban az erdeifenyő példáján elemezzük a varianciaarányokból levezethető következtetéseket.

A populációk közötti és populáción belül észlelhető változatosság viszonya az erdeifenyőnél

Az erdeifenyő utód- és klónvizsgálatok elemzése során (Mátyás Cs., 1979a) lehetőség nyílt több kvantitatív tulajdonság varianciaarányának egybevetésére. A származások (populációk) közötti variancia aránya jelentős volt a magasság és kisebb mértékben az átmérő esetében, míg az egyedek közötti variancia dominált a toboztermő képesség és a beltartalmi tulajdonságok tekintetében (63. ábra). Az előbbieket a klímaalkalmazkodás szempontjából adaptív, utóbbiakat nem adaptív bélyegként értelmezhetjük.

63. ábra - A klimatikus adaptáció szempontjából „adaptív” és „nem adaptív” tulajdonságok varianciakomponens-arányai (teljes variancia százalékos megoszlása) erdeifenyő utód- és klónkísérletekben. Az egybevetésnél a maradvány- (hiba-)tényező eltérő mértékét figyelmen kívül kell hagyni (Mátyás Cs., 1979)

A klimatikus adaptáció szempontjából „adaptív” és „nem adaptív” tulajdonságok varianciakomponens-arányai (teljes variancia százalékos megoszlása) erdeifenyő utód- és klónkísérletekben. Az egybevetésnél a maradvány- (hiba-)tényező eltérő mértékét figyelmen kívül kell hagyni (Mátyás Cs., 1979)


A 40. táblázatban közölt eredményekből is leolvasható a különböző tulajdonságok változatosságának aránya populációk közötti szinten. Kiemelkedően vezet a téli tűszín és a magasság, mint a klimatikus adaptáció szempontjából döntő bélyegek. A koronaalak és a tűhossz jelentősége ehhez képest gyengének tűnik.

Klimatikus adaptációs jelentőségre utal a bélyegek klímatényezőkkel megállapított korrelációjának szorossága is (53. táblázat). E tekintetben ismét a téli tűszint és a magassági növekedést találjuk az élen (a vezérhajtás-hossz a teljes magasságnál jobb eredményt ad, mivel a fiatalkori véletlen hatások kevésbé befolyásolják).

A rügyfenológiai jellemzők erős korrelációja a vegetációs idő, azaz a tenyészidőszak hosszának jelentőségét húzza alá. A tűhossz, koronaalak és rezisztencia gyengébb összefüggéseket mutat (l. a VI/a–d színes ábrákat is).

A genetikai változatosság arányaiból arra lehet következtetni, hogy a változatosság mértéke, ill. mintázata a tulajdonság adaptív értékével szorosan összefügg. Ez alapján az egyes bélyegek adaptációs szempontból értékelt jelentőségét is rangsorolhatjuk. Az adaptív érték csökkenő sorrendjében rangsor állítható fel a 40. és 53. táblázatok adataiból, illetve az utódvizsgálatok varianciavizsgálataiból (mindkét sorrend erdeifenyőre vonatkozik), ezt a 41. táblázat mutatja be.

40. táblázat - 20 erdeifenyő származás adataiból számított varianciaanalízis statisztikai eredményei (MátyásCs., 1987)

Tényező

Férték

Származásátlag

Sz. D. 5%

minimum

maximum

Magasság (m)

28,01

2,66

6,18

0,44

Átmérő (mm)

7,29

30,4

62,6

10,31

Ágszög (fok)

8,79

38,6

67,2

6,41

Tűhossz (mm)

7,35

57,4

96,3

12,02

Téli tűszín index

43,50

2,6

4,5

0,56

Fatömeg (dm3)

7,0

2,34

11,26

6,05


41. táblázat - Erdeifenyő kvantitatív tulajdonságai az adaptív érték csökkenő sorrendjében (Mátyás Cs., 1987)

Klímakorreláció alapján

Varianciaösszetevők alapján

téli tűszín

magasság (vezérhajtás hossza)

vegetációs idő hossza

oldalág hajlásszög

oldalágak száma

rezisztencia (Lophodermium)

tűhossz

magasság

átmérő

sudarlósság

koronaalak

faanyag térfogatsúlya

mag- és termésméret

magtermő képesség

faanyag beltartalmi jellemzői


A populáción belül, egyedek között jelentkező változatosság adaptív értékét sok esetben nehéz elbírálni. Ahogy azt a korábbiakban körvonalaztuk, bizonyos környezeti feltételek esetleg jelentősen eltérő fenotípusok párhuzamos előfordulását idézhetik elő. Ily módon a rátermettség szempontjából jelentős bélyeg változatossága hasonló formát ölthet, mint egy többé-kevésbé semleges hatású tulajdonságé. Ez elsősorban a magtermőképességre érvényes (l. az 5. fejezetben, szaporodóképességre szelektálódás hatástalanságánál), de pl. a koronaalakra is (64. ábra).

64. ábra - Észak-skandináv erdeifenyő-populáció koronaalak-változatossága: az északi sarkkör magasságában is találhatók széles koronájú, a helyi feltételekhez látszólag rosszul alkalmazkodott fenotípusok. Ez valószínűleg az erőteljes génáramlással is összefügg (Lappföld; fotó Mátyás Cs.)

Észak-skandináv erdeifenyő-populáció koronaalak-változatossága: az északi sarkkör magasságában is találhatók széles koronájú, a helyi feltételekhez látszólag rosszul alkalmazkodott fenotípusok. Ez valószínűleg az erőteljes génáramlással is összefügg (Lappföld; fotó Mátyás Cs.)


Populáción belüli genetikai változatosság klónkísérletek alapján: koadaptáció lehetőségei

A populáción belüli (egyedek közötti) és a származások közötti genetikai varianciát klónkísérletek segítségével is vizsgálhatjuk, ha a faj eredményesen klónozható (az utódvizsgálatokkal, származási kísérletekkel szemben lényegesen kisebb egyedszám mellett is pontosabb eredményt kapunk).

Kleinschmit és munkatársai (1996) 10 lucfenyő származás 50–50 klónját csemetekerti körülmények között elemezték 3 éves korban. A varianciaanalízis az utódvizsgálatokhoz hasonló eredményeket mutat, természetesen a klónozott növényanyag sajátosságai szerint: az egyedi genotípusok közötti szórás többszöröse az utódnemzedék átlagok között kimutathatónak (65. ábra). Valamennyi tulajdonság esetében a populáción belüli, egyedek közötti komponens hozzájárulása a teljes varianciához nagyobb, mint a származások közötti komponens. Ennek nemcsak a klónkísérlet pontossága az oka, hanem az általános mellett a speciális kombinálódóképesség (azaz a dominanciahatások) megjelenése is.

65. ábra - A variancia komponensei egy lucfenyő-klónkísérletben (Kleinschmit, 1996)

A variancia komponensei egy lucfenyő-klónkísérletben (Kleinschmit, 1996)


Származásszinten erőteljes különbségek vannak a növekedés és a fenológia, gyengébbek pl. a levélméret és a jánosnapi hajtás esetében. Figyelemre méltó, hogy a klónok fenológiai viselkedése oly egységes volt, hogy több esetben maradványvariancia (hiba) nem volt kimutatható (65. ábra).

A származáskomponens átlagos aránya az ismertetett klónkísérletben az egyedek közötti variancia egyötödére tehető. Érdekes egybevetni az egyes tulajdonságok közötti korrelációk szorosságát származások között, valamint klónok, azaz egyedek között és klónon belül is (42. táblázat).

42. táblázat - Egy lucfenyő-klónkísérletben mért lineáris korrelációs koefficiensek a hároméves kori magasság és más tulajdonságok között (Kleinschmit,1996 nyomán)

Tulajdonság

Korreláció a magassággal

származások szintjén

klón- (genotípus-) szinten

egyes növényegyed (fenotípus) szintjén

Átmérő

Hajtáshossz

Ágszög

Tűmennyiség

Tűszín

Fakadás

János napi hajtás

N-tartalom (tűk)

0,87

0,81

-0,18

-0,52

0,58

0,69

-0,69

-0,34

0,75

0,73

-0,03

-0,30

-0,16

0,19

0,33

-0,24

0,74

0,70

-0,04

-0,23

0,16

0,17

0,29

-0,17


A különböző szinteket egybevetve a korreláció szorossága a származásszinttől a növényegyed felé általában csökkenni látszik. Az eredmények arra utalnak, hogy származás-, illetve populációszinten a tulajdonságok egymással összehangolt adaptációja (koadaptáció) egyfajta optimum megközelítése érdekében sokkal jobban érvényesül, mint a populációt alkotó egyedek szintjén, amelyek jelentősen különböznek egymástól. A populáció alkotóelemei ezzel jelentős flexibilitást biztosítanak nemcsak a természetes szelekció érvényesülése, hanem az egyes évek/időszakok eltérő időjárásához való alkalmazkodás érdekében is. Szélsőségesen száraz években pl. a takarékos vízhasznosító genotípusok, csapadékos években a gyors növekedésű, vízigényes genotípusok érvényesülnek jobban.

Markerekkel jellemzett genetikai differenciáltság

Az allozimatikus strukturáltság

Genetikai markerekkel is az ismertetett klín-, rassz- vagy polimorfizmus-mintázat mutatható ki fajon belül (utóbbi a leggyakoribb). Molekuláris szinten mintázat alatt lényegében a genom–szekvencia eltéréseket értjük.

Az allozimatikus változatosságot tekintve a populációk közötti differenciálódás mértéke (GST%) az összefüggő áreával rendelkező fafajok esetében csekély, nem haladja meg az 5 százalékot, pl. a kocsánytalan tölgy (Quercus petraea) esetében mindössze 2%. Magas populációk közötti varianciát mutatnak azok a fajok, amelyek jellegzetesen széttagolt áreával rendelkeznek, mint pl. a cirbolyafenyő (Pinus cembra), ill. a feketefenyő (Pinus nigra) (43. táblázat).

43. táblázat - Néhány európai és észak-ázsiai fafaj allozimatikus genetikai változatosságának becsült értékei. Az adatok általában idős korú állományokból vett mintákra vonatkoznak. Embriók és csemeték adatsorát „juv.”megjelölés jelzi

Fafaj

Vizsgált génhelyek átl. száma (db)*

Lokuszonkénti átl. alléi-szám (A)

Polimorf lokuszok aránya (P%)

Populációk közötti differenciálódás (GST%)

Fenyők

Abies álba

Larix decidua

Picea abies

Pinus cembra

– – sibiríca

nigra

silvestris

– – juv.

6,6

17,6

10,5

8,7

14,0

3,8

6,5

11,1

2,1

1,9

2,1

1,8

1,6

2,5

3,4

3,1

49,0

16,3

12,8

12,8

16,3

27,2

34,8

26,8

2,6

4,7

32,0

1,6

10,8

3,5

1,5

Lombfák

Castanea sativa

Fagus sylvatica

– – juv.

Quercus petraeajuv.

– – roburjuv.

14,6

5,6

6,6

14,7

13,0

1,9

2,3

3,1

3,2

3,2

25,9

28,2

23,1

21,9

21,3

12,2

5,4

2,0

1,8


* A táblázat nagyszámú irodalmi forrás felhasználásával készült. A mintavételezett populációk és egyedek száma, valamint a vizsgált enzimrendszerek száma is eltérő, ezért az adatsorok csak korlátozottan egybevethetők. Az adatok forrásai Müller-Starck (1991) tanulmányában találhatók.

Az izoenzim-polimorfizmus típusai (allélgyakorisági típusok)

Az allélgyakoriságot tekintve az erdei fafajok populáción belüli allozimatikus változatossága három alaptípusra vezethető vissza (monomorfizmus, major polimorfizmus, minor polimorfizmus). A polimorfizmust lokuszok szerint eltérő mértékben véletlen és szelektív hatások befolyásolják. Szelektív jelentőségű lokuszok esetében a gyakorisági típusok kialakulását az alábbi tényezőkkel magyarázhatjuk (Gregorius – Bergman, 1995):

Monomorfizmus, változatosság hiánya: a génhely rögzült (fixált), csak egyetlen allélváltozat mutatható ki. Direkcionális szelekciós hatás révén jön létre, de kis populációméret esetén genetikai drift következménye is lehet. Előfordulhat az is, hogy a lokuszon csak nagyon csekély számú mutáns allél funkcióképes, a többiek letálisak. Organellumban működő enzimeknél gyakoribb.

Major polimorfizmus, dimorfizmus: jellemzően két – ritkán három – nagy gyakoriságú allél jelenléte. Valószínűleg heterozigótafölény tartja fenn, ennek oka lehet a környezeti tényezők időbeni vagy térbeni fluktuációja, de dimorfizmushoz vezethet a kódolt élettani funkció kontrolljának az egyedfejlődés során előálló változása, differenciálódása is. A dimorfizmus csak a citoplazmában működő enzimeknél figyelhető meg.

Minor polimorfizmus: egy domináns allél mellett egy vagy több ritka allél fordul elő. A gyakori és ritka allélek vegyes előfordulásának oka lehet, ha hátrányos hatású allélok folyamatos képződnek, vagy ha adaptívan kedvezőtlen allélek vándorolnak be.

Izoenzim-változatosság populációk között

Különös érdeklődésre tarthat számot az izoenzim-változatosságnak az a része, amely populációk között mutatható ki. Gyakran egyetlen vizsgált lokuszon sem mutatkozik számottevő különbség. Ez mindenképpen arra utal, hogy a populációk között akadálytalan a génáramlás, és ha fragmentálódtak volna is, akkor ez a fragmentálódás evolúciósan rövid időszakra vezethető vissza. A bükk (Fagus sylvatica) hazai előfordulásait elemezve például Comps, Mátyás és mtsai (1998) megállapították, hogy az izolálódás hatása a hazai bükkösök jelentős mértékű fragmentálódása ellenére nem mutatható ki.

A drift és szelektíven semleges hatások érvényesülése véletlen eltéréseket is generálhat, amelyek azonban nem képeznek ökológiailag értelmezhető mintázatokat. A nagy gyakoriságú allélok földrajzi mintázata összefüggő área esetén adaptív divergenciára utal – míg ha csak a ritka alléleknél figyelhetők meg eltérések, ez egyedi mutációk fellépését jelezheti. A gyakori alléleknél megfigyelhető földrajzi mintázat aránylag ritka jelenség. A populációk közt igen nagy földrajzi távolságon belül is általában elhanyagolható géngyakorisági eltérések vannak. Ez arra utal, hogy helyi ökológiai-szelekciós tényezőknek csekély szerepük van az izoenzim-változatosság mintázatának alakításában.

Bükk esetében Paule (1995) 23 összehasonlító kísérletben vizsgált 17 enzimrendszer közül 3 esetben talált földrajzi elkülönülést jelző mintázatot (GOT-2, MDH-3, SKDH lokuszokon). Ez esetben is a mintázat elsősorban a két európai faj (F. sylvatica és F. orientalis) elkülönülése és introgressziója révén jön létre (l. a 104. ábrán).

Adaptív hatású izoenzimek

Az izoenzimekkel kapott eredmények egységes értelmezésének legfőbb akadálya, hogy nincs egyetértés abban, hogy a kimutatott genetikai változatosság semleges vagy adaptív jellegű-e. Az enzim-izomérek eltérő adaptív jelentősége azonban nehezen bizonyítható. Ennek ellenére sikerült egyes esetekben közvetlen kapcsolatot találni a természetes szelekció működése és az allozimek gyakorisági mintázata között, pl. a jegenyefenyő esetében (l. szövegdobozban). Bergmann és mtsai (1990) fenntartják azt a nézetüket, hogy a bonyolult szerkezetű enzimek működésében már csekély módosulások is jelentős változást (romlást vagy javulást) kell okozzanak. Feltételezik ezért, hogy a populációban számottevő gyakorisággal képviselt allozimek a fenotípus fenntartása szempontjából nem lehetnek szelekciósan semlegesek.

Fontos

Példák adaptív hatású enzimváltozatokra

Bergmann és Gregorius (1993) az izocitrát-dehidrogénáz-enzim IDH-B gén-lokuszának allélváltozataira mutattak ki adaptív hatást. Jegenyefenyő-származásokon végzett izoenzim-analízisek során megállapították, hogy a B2 allélváltozat az északi származásokban nagyobb gyakorisággal fordul elő, mint Dél-Európában (66. ábra). A1 és B2 allélek által meghatározott enzimizoméreket hőhatásnak tették ki, amelynek során megállapítható volt, hogy a B1 változat hőre kevésbé érzékeny, mint a B2. A B2 alléi nagyobb gyakorisága az área északi részén feltehetőleg összefügg a hőmérsékleti viszonyokkal.

66. ábra - Az IDH-B génlokusz 2. sz. allélje gyakoriságának változása a földrajzi szélesség mentén. Az adatsort a jegenyefenyő área nyugati és keleti felében gyűjtötte Bergmann és Gregorius (1993)

Az IDH-B génlokusz 2. sz. allélje gyakoriságának változása a földrajzi szélesség mentén. Az adatsort a jegenyefenyő área nyugati és keleti felében gyűjtötte Bergmann és Gregorius (1993)


Egy lucfenyőn végzett vizsgálat (Ziehe ét ál. in: Mátyás Cs., 1999) során egy légszennyezés által károsított németországi lucosban elemezték a PEPC-A lokusz két allérjának gyakoriságát. A lokusz a.foszfoenol-piruvát-karboxiláz-enzimet kódolja. Megállapították, hogy az A1A2 heterozigóta gyakoribb az újulatban, mint az idős egyedek között. Feltételezték, hogy ennek oka a heterozigóták jobb fitnesze. APEPC enzim szerepet játszik a sztómák (légzőnyílások) működtetésében. Arész-letes élettani vizsgálatok megerősítették, hogy a heterozigóták hatékonyabban kötik meg a foszfo-enol-piruvátot, és kinetikus tulajdonságaik jobbak, azaz légzőnyí-lásaikat hatékonyabban működtetik. Ezzel szelekciós előnyre tehetnek szert a légszennyezett környezetben.

Az astilbén-szintáz (STS) enzim a magasabb rendű növények gombák elleni védekezésében játszik fontos szerepet. A szintézist szabályozó génjei multigénes

Adaptív hatású enzimváltozatok, folytatás

„családokban" csoportosulnak. A vizsgálatok szerint a gén expresszióját gomba-patogének támadása váltja ki. Ugyancsak STS-enzim termelést vált ki az ózon magasabb koncentrációja is. Erdei fák közül eddig az erdeifenyőben sikerült kimutatni (Müller-Starck - Schubert, 2000).

A cinnamü-alkohol-dehidrogenáz (CAD) a lignin bioszintézist katalizálja. Szerepe a lignin monomer előfutár-vegyületeinek (prekurzorainak) szintézisében van. A CAD enzimek minden fásodó szárú növényben kimutathatók, számos izomer-jük ismeretes. A CAD enzim aktivitása nemcsak a lignifikálódás, hanem környezeti stressz hatása alatt is megnövekszik: lucfenyőcsemeték ózonterhelése során is kimutatható. A CAD enzimet kódoló genom-szakaszt számos zárvatermő faj mellett lucfenyőből is azonosították (Schubert ét ál., 1997). Ez arra utal, hogy evolúciósán nagyon régen kialakult génekről van szó.

Kétségtelen, hogy egyrészt sikerült egyes esetekben pl. az enzimvariánsok működésében mutatkozó eltéréseket fiziológiai hatásokra visszavezetni, ezen kívül pedig vannak bizonyítékok arra is, hogy a kimutatott enzim-polimorfizmus korrelációt mutat bizonyos rátermettségi mutatókkal (pl. légszennyezés-tolerancia). Mai ismereteink szerint mégis úgy tűnik, hogy az erdei fáknál megfigyelhető izoenzim-változatosság mintázata – néhány kivételtől eltekintve – jobbára a helyi, adaptívan meghatározó környezeti tényezőktől aránylag függetlenül alakul ki.

A differenciáltság allozimatikus jellemzésének korlátai

Ha összehasonlítjuk a fajon belüli allozimatikus földrajzi mintázatot a morfológiai vagy növekedésbeli bélyegek mintázatával, azt tapasztalhatjuk, hogy az eltérő szelekciós hatások miatt ritkán van kapcsolat.

A fajon belüli genetikai differenciálódás mértéke is rendre eltérő eredményeket szolgáltat aszerint, hogy kvantitatív bélyegek vagy allozimek segítségével elemezzük. Szabatos összehasonlításra természetesen csak azonos vizsgálati anyagon végzett elemzések alkalmasak.

A szövegdobozban erre mutatunk be példát.

Fontos

Molekuláris és kvantitatív szintű differenciálódás egybevetése a gyakorlatban Yang és mtsai (in: Mátyás, 1999) 5 csavarttűjű fenyő (Pinus contorta ssp. lati-fólia) származás átlagosan 20-20 utódnemzedékében vizsgálták az izoenzi-mekkel megállapított, ül. kvantitatív differenciáltság (FST és QST) alakulását (44. táblázat).

44. táblázat - Populációk közötti differenciálódás becslése izoenzimmarkerés kvantitatív módszerekkel Pinus contorta populációkban (Yang ét ál. in:Mátyás, 1999 nyomán)

Izoei

Fenotípusoí

lokusz*

differenciáltság

(fST)

jellemző

differenciáltság (QST)

AAT-2

0,0097

térfogatsúly

0,133

ADH

0,0032

átmérő

0,166

GGP

0,0648

magasság

0,195

IDH

0,0001

ágszög

0,006

MDH-3

0,0139

ágátmérő

0,057

GPG-2

0,0095

ághossz

0,161

Átlag*

0,0190


* Az elemzésekben 19 lokusz szerepelt, amelyekből helytakarékosság miatt csak hatot mutatunk be!

A kvantitatív bélyegek tehát lényegesen nagyobb (adaptív) genetikai differenciáltságot igazolnak, mint a molekuláris adatok.

Más, hasonló elemzésekben is kb. egy nagyságrendnyi eltérés mutatkozott a molekuláris és a kvantitatív differenciálódás között. (Az eltérés a gyakorlatban ennél még lényegesen nagyobb is lehet az esetben, ha egymástól nagyobb távolságra eső származásokat vizsgálnak. Ki kell emelni, hogy a 44. táblázatban feltüntetett enzim-lokuszok nincsenek kapcsolatban a vizsgált kvantitatív tulajdonsággal, de érzékeltetik a molekuláris módszerekkel történő differenciálódás-jellemzés problémáit.)

DNS-markerek használhatósága a differenciáltság jellemzésére

A biokémiai (izoenzim-) markerekhez hasonló megállapítás tehető a nukleáris DNS esetében megfigyelt változatosságról is. Azon markerek esetében, amelyeknek nincs adaptív jelentőségük, a genetikai változatosságot véletlen hatások fogják meghatározni. Jellegzetesen ez a helyzet a DNS nem kódoló szakaszain kimutatott genetikai változatosság esetében. Itt a mutációk révén nagy változatosság akkumulálódhat, amit csak a véletlen drift fog korlátozni. Ugyanakkor olyan DNS-szakaszokon, amelyre jelentős szelekciós nyomás hat, a képződő mutációk rendre kiszelektálódnak. Így azonos mutációs ráta mellett a szelekcióval érintett lokuszokon kimutatható változatosság kisebb lesz, mint a semleges génhelyeken. Mivel az elemzés során azokat a génhelyeket preferálják, ahol a DNS-szakasz jól kimutatható eltéréseket mutat, a genetikai markerek nagy része adaptív szempontból csekély jelentőségű, illetve egyáltalán nem kódoló DNS-szakaszon található. A leírtakat egy észak-európai példával illusztráljuk (l. szövegdobozban).

Fontos

Differenciálódás jellemzése markerekkel

Savolainen (1997) egy Helsinki környéki és egy lappföldi (Yllás-i) erdeifenyő populáció elemzését végezte el. Helsinki mellett a januári közép -6,9 °C, a vegetációs idő hossza 174 nap, a nyár közepén a napszakhossz 16 óra, ugyanez Lappföldön -13,9 °C, illetve 121 nap és 24 óra. A számított genetikai diverzitás adatait a 45. táblázat tartalmazza.

45. táblázat - Különböző DNS-elemzési módokkal számított genetikai diverzitás (He), Shannon - Weaver diverzitás index (H), illetve egy közös tenyészkerti kísérletben mért fenotípusos variancia (VP),valamint a populációk közötti variancia százalékos aránya (Ftetw)egy dél-finnországi (Helsinki) és egy lappföldi (Ylläs) erdeifenyő-populációra(Savolainen, 1997)

Jellemző

Mért. egys.*

Helsinki

Ylläs

VBetw

RFLP

He

0,44

0,54

2

Mikroszatellitek

He

0,74

0,80

2

rDNS

H

1,40

1,38

14

Összehasonlításul:

12 enzim-lokusz átlaga

He

0,35

0,35

2

Rügyfakadás

VP

169

171

34


Magyarázat: RFLP: restrikciós fragmentumhossz-polimorfizmus; rDNS: riboszóma RNS-t kódoló DNS; *: A táblázat 3. és 4. oszlopára vonatkozik.

Az extrém környezeti feltételkülönbségek ellenére sem az RFLP, sem a mikrosza-tellit markerek változatossága nem mutat jelentős eltérést. A rDNS populációk közötti varianciájának aránylag magasabb értéke is inkább véletlen drifttel magyarázható. Ugyanakkor a rügyfakadásra megállapított fenotípusos variancia értékeinek populációk közötti aránya jól jelzi az adaptációban mutatkozó tényleges eltéréseket. (Nem meglepő, hogy az összehasonlításul közölt izoenzim-változatosság értékei is indifferensek.)

Az adatok és számos más vizsgálat alapján megállapítható, hogy bár a DNS-markerek révén a génkészlet monitorozása aránylag gyorsan és precízen elvégezhető, ezek az adaptív fontossággal bíró tulajdonságok közvetlen elemzését egyelőre nem helyettesíthetik.

A poligénes öröklődés szerepe a markeralapú és kvantitativ mintázatok eltérésében

Lewontin (1984) a genetikai mintázatok ellentmondó eredményeit vizsgálva kimutatta, hogy a géngyakoriságon alapuló elemzések és a kvantitatív értékelések statisztikailag eltérő háttérrel rendelkeznek. Ha a tulajdonságot sok lokusz határozza meg, a populációk közötti különbségek kimutatására nagyobb az esély mennyiségi tulajdonságok vizsgálata révén, még akkor is, ha a tulajdonságot meghatározó lokuszok ismertek és vizsgálhatók. A poligénes öröklődés allélgyakoriságra kifejtett hatásával kapcsolatban egy szimuláció eredményeit mutatjuk be a következő alfejezetben.

A szelekció hatásának elemzése szimulációs programmal

Kremer és mtsai (in: Mátyás, 1999) számítógépes szimuláció segítségével vizsgálták, hogy abban az esetben, ha nagyobb számú lokusz és több allél határozza meg a fenotípusos tulajdonságot, a kvantitatívan megmutatkozó, populációk közötti differenciálódás ellenére a lokuszokon (molekulárisan) kimutatható differenciálódás mértéke csekély.

A szimuláció alapja, hogy a kérdéses adaptív tulajdonságot 50 lokusz határozza meg, amelyek 10 kapcsoltsági (linkage) csoportba tartoznak. A lokuszok hozzájárulását az additív varianciához egyenlőnek vették. (A valóságban ugyan jóval kevesebb kvantitatív tulajdonságot meghatározó, ún. QTL-lokuszt azonosítottak utódvizsgálatokból, de mivel ezek elkülöníthető családokra vonatkozó eredmények, feltételezhető, hogy egy populáció szintjén lényegesen több QTL-lokusz fordul elő.) A mutációs rátát 10–5-nek, a heritabilitást 0,5-nek feltételezték. A szimulációhoz 9 elkülönülő, egyenként 1000–1000 egyedből álló populációból indultak, amelyek közt megadott migrációs ráták (10–2) biztosították a génáramlást. A különböző populációk számára eltérő optimális fenotípusos értékeket adtak meg, a gyakorlatban tapasztalható klinális trendeknek megfelelően.

A szimuláció során először semleges hatásúnak tételezték fel a tulajdonságot. Az 500 generáción keresztül futtatott program megerősítette azt a feltevést, hogy semleges tulajdonság esetén a kvantitatív differenciáltság (QST) illetve az allélszinten kimutatható differenciáltság (FST) populációk közötti szinten azonos, a kapott értékek alig térnek el egymástól:

QST ≈ FST ≈ 0,038

A tulajdonságnak adaptív értéket adva a kétféle megközelítés között jelentős különbség alakul ki. A kvantitatív differenciálódás gyorsan erősödik a 150-edik generációig, majd QST = 0,20 érték körül állandósul. Ugyanakkor az allélgyakoriság szintjén kimutatható differenciálódás alig emelkedik, 500 generáció után is mindössze 0,043 értékű.

A szimuláció tehát rámutat arra, hogy jelentős mérvű differenciálódás alakulhat ki kvantitatív szinten anélkül, hogy az azt meghatározó (QTL-)lokuszokon nagyobb mérvű allélgyakoriság-változást észlelnénk. Tehát a kvantitatív tulajdonságot meghatározó, adaptív hatású lokuszok populációk közötti differenciálódása nagyszámú meghatározó gén esetén nem tér el a neutrális hatású lokuszokétól.

A kapott eredmények alapján megállapíthatjuk, hogy még abban az esetben is szükség lesz terepi kísérletekre (a származási és utódvizsgálatokra), ha sikerül hatékony módon azonosítani a kvantitatív tulajdonságokért felelős lokuszokat (QTL-eket). Ismét hangsúlyozni kell, hogy a kvantitatív bélyegek alapján meghatározott differenciálódás (QST) nagyszámú génhely összegezett hatása nyomán jön létre, azaz multilokusz-jellemző. Ugyanakkor a biokémiai-molekuláris genetikai differenciálódás (FST) külön-külön elemzett lokuszok átlagértéke, azaz monolokusz-jellemző, ennek megfelelően a két különböző típusú jellemzőt eltérő szelekciós és represszív (visszatartó, korlátozó) hatások alakítják.

Összefoglalás: a markerekkel jellemzett differenciáltság eltérő megítélése

A fajon belüli genetikai strukturáltság megítélése láthatóan eltérő eredményekre vezet aszerint, hogy a differenciáltságot kvantitatív, adaptív bélyegeken vagy molekuláris markerek segítségével elemezzük (46. táblázat). A kétségtelenül pontosabb és reprodukálhatóbb molekuláris genetikai eredmények megkérdőjelezik a kvantitatív értékelések létjogosultságát is. A molekuláris szintű változatosságot, mint már erre többször kitértünk, a kutatók többsége alkalmasnak ítéli az adaptáltság, alkalmazkodóképesség elbírálására. Érdekes a páneurópai miniszteri konferencia (Helsinki, 1993) megfogalmazása is: „az Európában széles körben alkalmazott genetikai szelekció során a teljesítmény (= fatermés, szerző kiemelése) tulajdonságokat nem kívánatos előtérbe helyezni az adaptív tulajdonságok hátrányára…”

46. táblázat - Két fenyőfaj adaptációval kapcsolatba hozható fajon belüli differenciáltsága különböző szerzők szerint

Jellemző

Lucfenyő

Erdeifenyő

Kvantitatív tulajdonságra

Növekedés (magassági és átmérő)

Rügyfenológia

Törzsegyenesség

Izoenzimek szintjén

DNS-szinten

*** (Giertych)

*** (Ujváriné)

*** (Dormling)

* (Lagercrantz, Ryman)

Ø (Szmidt in: Mátyás)

*** (Mátyás)

*** (Mikola)

** (Mátyás)

** (Shutjaev, Giertych)

0 (Muona, Szmidt)

0 (Muona)


*** = a változatosság igen jelentős mértékű

** = jól elkülönülő földrajzi változatosság

* = klinális mintázat egyes génhelyeken

Ø = a kimutatható differenciálódást nem lehet közvetlen kapcsolatba hozni az adaptációval.

Egyes szerzők (pl. Hussendorfer in: Müller-Starck, 1996) kifogásolják, hogy „ma még” egy populáció vagy származás alkalmasságát fenotípusos bélyegek alapján döntik el, és a fajtaellenőrzésre (klón- és utódvizsgálatokban) is „csak” kvantitatív módszereket alkalmaznak, a genetikai értéket egy kvantitatív standardhoz viszonyítják. Sőt, ezen vizsgálatok alapján „még” a genetikai változatosságra és az alkalmazkodóképességre is következtetéseket vonnak le…

A kimutatott differenciáltság megítélése szempontjából meghatározó, hogy a lokusz a természetes szelekció szempontjából semleges (neutrális) vagy adaptív hatású-e. Konkrét esetekben általában nehéz eldönteni a lokusz adaptív jelentőségét, az értelmezés szemlélet kérdése is. A szelekcionista megközelítés szerint molekuláris szinten is működik a természetes szelekció, amely a genetikai változatosságot meghatározza. Eszerint egy allélváltozat meghatározott gyakoriságú előfordulása nem véletlen folyamatok eredménye, hanem az allél szelekciós jelentőségét tükrözi (pl. Gregorius, 1989).

A semleges markerek adaptív hatásokat jelezhetnek akkor is, ha olyan génekkel vannak kapcsoltsági viszonyban (linkage), amelyek adaptívak, de közvetlenül nem vizsgálhatók. Nem zárható ki, hogy az egyébként semleges lokuszok a rátermettséget befolyásoló, „effektor” gének szomszédságában valamilyen kapcsoltsági viszonyt tartanak fenn, amely a markerekkel kapott adatok értelmezését lehetővé teszi. Ilyen kapcsolatok elsősorban izolált populációk esetében tételezhetők fel. Kis létszámú emberi közösségekben ezt ki is mutatták, pl. a humán vércsoport és enzimlokuszok kapcsolatára (Vrijenhoek, 1994). Erdei fákra egyelőre alig rendelkezünk ilyen markerekkel (l. 3. fejezetben: QTL-markerek). A bemutatott elemzések azt mutatják, hogy amennyiben az adaptív tulajdonságot számos gén határozza meg, az allélok, ill. DNS-fragmentumok még akkor is semlegesként viselkedhetnek, ha adaptív hatásúak.

A kérdés egyáltalán nem csak elméleti jelentőségű. Amennyiben a molekuláris módszerekkel meghatározott diverzitást valóban szelekció tartaná fenn, akkor adaptív jelentősége miatt a diverzitási mintázat megőrzésére gondot kell fordítani, különös tekintettel a ritka allélokra. A ritka allélok megőrzésére összpontosító stratégiák azonban eltolhatják a génkészlet eredeti összetételét, esetleg a teljes variabilitás csökkenését is eredményezhetik.

Ha viszont a molekuláris szintű diverzitást kizárólag véletlen hatások befolyásolnák, jelentősége a populációk adaptációs készségének megítélésében alárendelt lenne, és a molekuláris szintű polimorfizmus megőrzésére nem kellene külön figyelmet fordítani.



[19] Ennek a megállapításnak a viszonylagosságát éppen az előző alfejezet igazolja.