概述的角色推动基因组学在濒危物种保护生物学

文摘

在最近的时代,由于工业化的巨大进步,污染和其他人为活动创造了一个严重的场景对生物生存。据报道,目前生物正进入一个“第六”大规模灭绝,因为长期暴露在人为活动。各种各样的非原位和原位已经采取措施保护受到威胁的濒危植物和动物物种;然而,这些已经有限的由于各种差异。当前分子技术的发展,尤其是基因组学、生物多样性保护发挥着非常重要的作用。推动基因组学有助于识别基因组的部分负责改编。它也可以提高我们的理解微进化通过更好的理解选择、突变,自信的席子,重组。推动基因组学有助于识别基因对健康至关重要,最终为发展现代和快速监控工具濒临灭绝的生物多样性。本综述的重点是应用先进的基因组学主要人口,自适应遗传变异,近亲交配,杂交和基因渗入,和疾病易感性,威胁生物的保护。简而言之,它为新手提供了基础的读者和进步在基因组学专家工作保护濒临灭绝的植物和动物物种。

1。介绍

人为活动已经改变了全球环境,减少生物多样性还通过灭绝和减少的人口规模已经幸存的物种。由于人为活动和干扰,目前物种灭绝的速度1000倍的自然背景的灭绝率和未来利率可能会10000倍1]。据国际自然保护联盟说2015年的报告,目前79,837个物种进行评估,其中23250人面临灭绝的威胁。只有世界上三分之一的淡水鱼类水电大坝风险扩张(2]。根据不同的估计,每年几千100000个物种灭绝,大部分没有被科学描述(3]。由于这些巨大的人为活动,这个概念已经出现,地球生物正进入一个“第六“灭绝4)是基于事实,最近的物种灭绝率比类人猿的背景非常高(5,6]。只有在热带Oceana岛,据报道1800种鸟类灭绝了大约2000年,因为人类殖民(7]。即使在科学先进的19世纪和20世纪,许多种鸟类,哺乳动物,爬行动物,淡水鱼类,两栖动物,和其他生物灭绝已记录(5,8,9]。如果物种灭绝继续在这样一个惊人的速度,未来的一代会占据一个行星显著减少生物多样性,减少生态系统服务,减少进化潜力,并最终灭绝率较高和生态系统崩溃3,10]。

生物学家和生态学家的一个主要挑战是保护濒危物种。已经采取了若干措施和努力在这方面做了广泛的文献中描述诸如人口可行性分析,制定metapopulation理论、物种保护、分子生物学的贡献,发展全球定位系统、地理信息系统和遥感(11]。在最近的时代,基因组学是一个所有的生物科学和重要组成部分保护生物学的快速变化的方法。成千上万的生物包括植物的基因组,脊椎动物和无脊椎动物被测序,结果增强,注释,并提炼通过使用新方法在代谢组学,蛋白质组学、转录组提高代谢产物的表征,信使RNA,蛋白质(12]。基因的方法可以提供详细的信息吗当前和过去的统计参数,系统问题,近亲繁殖的分子基础,了解遗传疾病,检测杂交/基因渗入在生物13]。它还可以提供信息来理解机制相关的低适应性低的遗传变异,为集成遗传和环境保护生物学和最新的设计方法,快速的监视工具。资金和技术的快速进步目前基因组学使保护基因组可行,将改善的可行性在不久的将来甚至[14]。本文的目的是描述最近在物种保护先进分子技术及其作用。我们已经描述了使用预先保护技术的有效性和可能性基因组方法及其局限性和未来的发展。我们希望本文将提供基础和新见解新读者和经验丰富的生物学家和生态学家在制定新的工具和建立技术来防止濒危物种。

2。生物多样性和保护

生物多样性是指各种各样的所有形式的生命在这个星球上,包括各种微生物、植物、动物、生态系统形成,它们包含的基因。区域内生物多样性、生物群落或行星因此被认为是在三个层次包括物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性(15]。的名称表明,物种多样性指的是各种各样的物种;遗传多样性的变化是基因在物种和种群和生态系统多样性与各种各样的栖息地,生物圈的生态过程和生物社区(15]。今天的生物多样性为9.0 5200万种数十亿年的进化的结果,是由自然现象,并形成网络,我们的生活是不可分割的一部分,我们充分的(15,16]。对于物种适应和生存,遗传多样性是基本元素和所有的生存进化成就和在某种程度上依赖于它。虽然适应和生存的空间,可以查看时间,进一步锻炼和健身但包括适应、遗传变异和稳定。灭绝的现象可以被生物或非生物压力的结果,由于各种因素如疾病、寄生、捕食、竞争或由于栖息地的改变或隔离由于人类活动,自然灾害,气候和地质变化缓慢。考虑这些持续的威胁,这是非常重要的,物种的遗传多样性应该被适当的理解和有效地保存和使用17]。

目前,一些物种在撤退,失去位置,日益面临灭绝的威胁,各种因素主要是人工干预,从而保护生物学近年来已成为一个主要的文件。“威胁”普遍认识到一个重要的风险成为濒危物种在全部或部分的范围。尽管灭绝是一种自然过程,人类对濒危物种的价值及其实现进行干预的稳定环境正在迅速增加。人类干预自然环境的物种以不同的方式,如自然栖息地的破坏、外来生物的引入,而直接造成的自然组成部分人口(18]。保持自然变异的物种是有益的经济、生态和社会的视角。数的组合效益发生任何特定的物种,和一些物种明显比其他的更有价值。

目前,维护的稀有和濒危物种的生物学家和遗传学家感兴趣的一个主要焦点。灭绝的影响并不明显,难以预测,因此几个参数设置和不同的技术正在开发中。例如,人口可行性分析(PVA)定量预测的概率灭绝和重视环境保护的需要。它考虑的共同影响随机(包括人口、环境、和遗传学)和terministic(包括栖息地的丧失和过度开采)因素(11]。吼猴Mandujano和Escobedo-Morales使用PVA法(巴palliata墨西哥)来模拟一组趋势和当地物种灭绝和调查统计参数的作用下人口增长两个景观场景孤立的种群和metapopulation [19]。他们发现相对繁殖成功率和繁殖力的速度直接与每个片段的成年女性的数量。结果,有限的增长速度主要取决于成年女性的生存而孤立的种群和metapopulation灭绝是成倍增长的概率依赖于片段大小。此外,它建立了一个最小可行的人口,预测种群动态,建立保护管理计划,并评估其策略。然而,它是有限的几个因素;例如,它往往是很难测量小种群参数需要使用PVA的模型。这需要更全面的发展和成熟的方法,不仅可以预测灭绝还预测,而在非常早期的阶段。

3所示。基因组学分析工具在物种保护的作用

术语基因组约为75岁,是指总组基因在染色体或指的是生物体完整遗传物质(20.]。与环境的影响,形成个体的表型。罗德里克·托马斯在1986年创造了这个词基因组学作为一个科学学科,指的是映射,基因组的测序和分析(21]。现在由于基因组学的普遍接受,扩大并通常分为功能和结构基因组学。结构基因组学是指进化、结构和组织的基因组在功能基因组学处理基因组的表达和功能。从结构基因组学、功能基因组学需要帮助数学、计算机科学、计算生物学和生物学的各个领域22]。

基因组分析曾经是有限的生物模型(23]但现在成千上万的基因组生物包括植物、无脊椎动物,脊椎动物已经测序和注释结果进一步完善和增强通过使用新方法在代谢组学,蛋白质组学、转录组(12]。如今,很容易调查人口结构、遗传变异、濒危物种和最近的人口事件,使用人口基因组的方法。最近的进展,提示成为濒危物种的基因组序列可以找到。例如,任何有害突变基因对大脑功能,新陈代谢,免疫力等等可以很容易地检测到先进的基因组的方法。相反,这些也可以检测他们的基因组的任何变化可能导致某些基因的增强功能,例如,增强大脑功能和代谢相关,可能会导致异常积累的毒素(24- - - - - -26]。特定的遗传工具和分析技术用于评估不同物种的基因组检测遗传变异与特定的保护和人口结构相关联。目前,最常用的遗传工具检测遗传变异的植物和动物物种包括随机片段长度多态性(RFLP),扩增片段长度多态性(妊娠),随机扩增多态性DNA (RAPD)单链构象多态性(SSCP),小卫星,卫星单核苷酸多态性(snp), DNA和RNA序列分析和DNA指纹识别。分析遗传变异的物种或种群使用这些工具进行使用当前个人或历史性的DNA的DNA (27]。这些工具目标目标物种的基因组内不同的变量和选择的特定工具和gnome部分基于可用的信息进行分析。例如,动物线粒体DNA拥有高替代率是一个有用的标记测定同一物种的个体的基因变异。然而,这些技术有几个局限性。例如,基因高替代率在动物线粒体DNA只有继承女性线条。同样,植物的线粒体DNA结构变异率很高,因此很少可以作为检测遗传变异的遗传标记。各种基因工具用于检测遗传变异的物种和相关限制在图进行了总结1。全基因组关联研究(GWAS)开发的全基因组遗传标记进行DNA分析和分子标记辅助育种,和数量性状位点(QTL)定位分析濒危和受威胁物种可以给我们信息在基因组水平和自然选择的作用的识别位点与疾病易感性,近亲繁殖抑郁,和当地的适应性。例如,大多数的经济价值已发现使用链接映射和覆盖大部分段在不同物种的基因组。目前,由于高密度SNP芯片和全基因组分析技术的可用性,GWAS已经被证明是有效地识别重要的基因组区域内更精确的基因组物种,例如,基因变异和重要的定性和定量特征(28]。此外,使用群体遗传学和phylogenomics可以帮助我们识别保护单位恢复,管理和保护(23]。更多的物种的基因组测序,拯救更多的濒危物种将变得更容易。的应用推进保护濒危生物的基因组学是如图2。

3.1。人口统计学

最近的识别和历史人口地理人口结构等事件,基因流,掺合料,和人口规模的波动,具体网站和微卫星遗传标记,如沉默传统。虽然传统的分子方法已经成功地进行了分析和建模复杂的人口统计学的历史,有效的人口规模,核苷酸多样性,和重组,基因组学提供了一个更大的统计和分析能力(29日]。基因组学还可以提供有关物种形成时间的信息,重组率、起源、关系,估计当前和祖先的有效种群大小(30.,31日]。类似地,人口基因组学可以改善我们的理解通过更好的理解复合微进化,自信的席子,突变和选择,帮助我们识别基因,为适应和健身是至关重要的32]。未来使用snp基因分析可以在基因组结构的决心更优势的地区高连锁不平衡(LD)和低单体型号为了加速和优化基因映射基于遗传协会,例如,找到相对频繁的变异与复杂的特征。然而,这需要广泛的基因组中LD的知识模式。有人建议,LD在基因组可以组织为一个模式不同长度的街区形成的具有有限的多样性和分离的地区低LD。这样的结构可以一系列可能的机制的结果,其中一个是重组热点[33]。

3.2。自适应遗传变异

选择性力量形状自适应变化和识别这些适应性基因座是最重要的是保护与进化基因组学(34]。基因组学可以帮助我们识别基因变化造成当地适应这些改变影响健身的方式,通过对全基因组数据的访问和注释的基因在野生物种。这些信息不仅有助于定义保护单位(35),但也提供人口信息势应对不断变化的环境条件(36]。同样,理解当地的适应和位点的地理分布之间的关系也将受益人口评估栖息地要求坚持和不同种群的生态可交换性(37]。

各种技术被用来识别与自适应特征相关的基因区域。最常用的方法是QTL (38),已被用于许多野生物种如洞穴利乐鱼(39)、鹿鼠(40),和斑胸草雀41]。例如,收益率提高的几个小麦和玉米等农作物已经成为可能通过间接的操纵控制的主要性状的遗传变异和生理机制(42,43]。等作物改良育种的传统方法是基于很少或没有的知识管理因素遗传变异性(44]。然而,传统的方法确定遗传多样性目前不足的因素,例如,非生物因素,包括热、压力、干旱,水浸,盐度,在某些领域正变得越来越普遍。因此,定量的遗传解剖特征控制的适应性反应重要的作物非生物压力是必要允许genomic-based育种方法的具有成本效益的应用程序旨在提高产量在不利条件下的可持续性和稳定性(43]。由于有限的生命历史的可用性,如今,RAD-sequence [13,45],GWAS [46,47],基因组扫描(48- - - - - -50)也用于识别与自适应特征相关的基因区域。例如,GWAS应用在几种作物检测在整个基因组的基因标记散布在基因组之间的联系和感兴趣的自适应特征51]。历史重组提高了分辨率的检测轨迹控制自适应特征(52),因此GWAS标识的等位基因的联系与自适应特征(即轨迹。LD)由于自然选择的作用[53]。主要组织相容性复合体(MHC)有一个角色在亲缘识别中,种内的领土权,和配偶选择54)和识别MHC基因座的多态性通过基因组学可以给我们信息免疫健康的人口(55和进一步的进步可以帮助我们保护管理。

3.3。近亲繁殖

近亲繁殖的物种导致近交衰退,这可能会导致减少进化适应潜力,并最终增加了灭绝的风险(56),但确切的机制,这导致近亲繁殖抑郁症是知之甚少。只有它是基因组学,可以阐明近亲繁殖的遗传结构抑郁,导致近亲繁殖的位点数量,和一些潜在的遗传机制,如上位,超显性,优势,和/或基因-环境交互作用23]。例如,小轮峰菊,荷兰的多年生植物,是一个高度分散的濒危物种和遗传侵蚀的人口。各种转录组和表观遗传分析的近亲繁殖和近交衰退被用来分析这种植物的保护。各种方法如GWAS [57,基因表达谱58),对整个基因组进行测序可辨的父母和后代(59)是用于识别位点与近交衰退有关。近亲繁殖的最直接影响人口减少杂合子的频率,降低个人健身,近交衰退(60),由于遗传漂变和多样性损失通过减少有效种群大小(61年]。例如,穆尼和麦格劳的研究人参quinquefolius(西洋参)、异型杂交的稀有植物和近亲繁殖62年]。近亲繁殖,人参quinquefolius自花传粉或要么将在人口。另一方面对远交,人参quinquefolius是将在人口或栽培植物。后代产生的所有跨越随访4年。自花传粉植物幼苗显示33%高度和45%小叶子地区相对于异花授粉。另一方面,跨越与栽培植物的幼苗显示根生物量高165%和127%人口中的更大的叶面积相对于异型杂交的后代。这个例子展示了如何近亲繁殖加速人口灭绝。

3.4。杂交和基因渗入

杂交在植物分类群需要分子标记在基因组层面由于特有的基因组结构的特征。例如,野生的向日葵,有害杂草,可以作为杂草作物形式。杂交可以通过授粉昆虫可以发生一些作物的花粉进入杂草种群。正在进行的密切相关的物种之间的杂交似乎是常见的在自然63年]。基因组学可以提供更好的洞察力和渐渗杂交基因流的角色在自然种群,也可以明确我们的物种如何维持其遗传的概念区别性和生殖隔离。因为基因渐渗流量可能会减少或增加健身,一个更好的能力来识别时间和发生相关物种之间的基因流动人口管理和可持续发展23]。转移人口有时可以杂交或本地人口密切相关的物种,危及每个物种的遗传纯度。例如,当Cervus日本(梅花鹿)介绍了西欧,他们用本地容易使近亲交配c . elaphus(红鹿),因此在英国,没有纯红鹿(64年]。某种程度上的基因流是通过一个正常的和建设性的进化过程,整个星座的基因型和基因不能保存。然而,杂交有或没有基因渗入稀有或濒危物种可能会损害他们的存在。在这方面,只有进步分子技术可以发挥重要作用的理解并不总是很明显的被低估了问题单从形态学观察(65年]。

3.5。疾病脆弱的感情

传染病,尤其是病毒,通常被认为是导致人口下降(66年),很少被认为灭绝的一个原因。在保护生物学,除了在不同寻常的情况下,传染病分摊或边际影响消光(67年,68年]。最近,它已经发现,长期暴露于传染病可能改变基因组的宪法69年]在进化和角色塑造我们的生化个性(70年]。先进的基因组学可以识别相关的易感基因,可以提供更好的理解到保护和致病机制,可以确定新的分子靶点治疗和预防干预措施(71年]。全基因组SNP研究和全基因组测序可以提供更好地了解野生动物物种的管理和治疗疾病的72年)作为保护的直接目标管理是评估载体状态和物种恢复提供依据73年]。目前,有各种各样的例子受到威胁由于各种原因被严重影响了犬瘟热等传染病在狮子和黑足雪貂74年,75年在类人猿[],马尔堡和伊波拉出血性疾病76年],袋獾面部肿瘤疾病传播[77年),可乐逆转录病毒(78年),而衣原体pecorum在考拉79年]。宿主-病原体相互作用在保护生物学,虽然是一个特别感兴趣的话题,病原体导致灭绝的可能性在某些上下文是很少理解。然而,增加分子技术的发展可以提供重大贡献准确了解野生动物的微生物过程(80年]。

4所示。从促进基因组学未来的希望

大约四分之一的所有鸟类物种几乎威胁或受到威胁。只有73种曾灭绝。其中一个是Nipponia日本(朱鹮)仅从七个人被找回,使用高质量的基因组序列[25]。甚至科学家首次创建一个可行的克隆世界最小的濒危的羊,欧洲摩弗伦羊,提供了一个希望拯救他们灭绝。同样,任何人口灭绝的原始基因库可以再生通过克隆,保护其遗传多样性,通过收集的细胞样本。即使克隆管理得当,它可能扩大基因池,可以帮助我们恢复基因材料从死去的动物,动物不育,甚至年轻的动物,太不成熟的品种(81年]。对于那些已经灭绝的生物的活细胞存在,克隆是不可能的;然而,基因组编辑是唯一的手段将灭绝物种或者更准确灭绝特征带回到生活(82年]。

5。基因组学的局限性

保护基因组学的最重要的障碍是缺乏样品或样本收集困难的濒危物种。同样,基因组学数据更容易和更快的生产,但是数据分析技术主要是滞后。此外,许多为群体遗传学统计项目需要适应大数据集和需要重要的生物信息学和计算生物学的发展。基因数据的应用可能会导致过分狭隘地定义单位的保护,可能阻碍保护行动,并可能阻碍濒危物种管理(83年]。此外,一些濒危物种尚未测序的基因组,这不仅需要大量资金,但相当多的时间。有些政策有关样本国家间的交流也阻碍生物保护的速度。

6。结论和未来前景

保护遗传学主要集中在确定物种或种群之间的关系,研究跨物种变异,并描述物种及其威胁之间的交互过程。在目前的手稿,我们综述了濒危物种保护的问题和可能的解决方案和基因和基因组的方法理解他们。除了防止濒危物种多样性可以受益于寻找除了这些,考虑稀有物种的基因组和其他共享一个共同的环境。通过确定因素或过程影响的基因构成威胁或灭绝的物种,我们可以预测和识别生态和基因独特物种。在未来,我们希望在基因组学持续进步,我们将能够准确地预测当地人口的可行性以及预测种群适应气候变化的能力和其他人为的挑战。气候变化和人为活动由于人口爆炸将增加一天。因此,这两个因素对生物多样性的丧失是一个严重的威胁。唯一希望阻止他们的损失预计推动基因组学。适当也需要进一步的研究来理解和利用环境和基因数据和更好的方法来集成多学科,包括政策分析有效的保护。此外,应该建立特殊政策,交换濒危物种的样本和基因数据,为了提高物种生存的跨国组织的努力。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Suliman汗Ghulam Nabi和穆罕默德瓦吉德Ullah贡献同样这项工作。

确认

作者感谢科学院和世界科学院(CAS-TWAS)奖学金项目。

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