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

Greining Þróunarsögutrés lífsins

• 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

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

Pongo

Pongo

Pan

Pan

Pan

Gorilla

Gorilla

Gorilla

Homo

Homo

Homo

Orangútan notaðir sem rót

Pongo

PanGorilla

Homo

Rótin!!

PongoGorilla

Pan Homo

http://tolweb.org/tree/

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

1 a b c d e f 2 A B c d e F 3 A b C D E F 4 A b C d E f

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

1 a b c d e f 2 A B c d e F 3 A b C D E F 4 A b C d E f

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

'Antithrixia_flavicoma' 000000000000000000000--0000000000000-0000000-- 'Oreoleysera_montana' 000011010000001000100--0000010100001000000000- 'Leysera_longipes' 010011000001001000000--00-0110101000--0001100- 'Leysera_gnaphalodes' 0000-1000000001000-10--00001211010010001111102 'Leysera_tenella' 100011000000001000110--00001211010010001111102 'Leysera_leyseroides' 100011000000001001110--00001211010010001111102 'Rosenia_glandulosa' 001100000000000000001000000000000001000000201- 'Rosenia_spinescens' 00110000000000000000-000000000000001000000201- 'Rosenia_oppositifolla' 000000000000000000000--0000000-000010000002010 'Rosenia_humilis' 00-00000000-00000000-0000000000000010000002010 'Relhania_dieterlenii' 000010000000110000000--0000100100000--00013-1- 'Relhania_fruticosa' 000011000000110000001000000100100000--00013-2- 'Relhania_rotundifolia' 000011010000110000001000100100100000--00013-2- 'Relhania_spathulifolia' 0000110100001100000000000011001000011000013-10 'Relhania_corymbosa' 000011010000110100000000000100100001100001301- 'Relhania_tricephala' 0000110100001101000000000011001000011000013-10 'Relhania_relhanioides' 0000110100001100000000000011001000011000013-1- 'Relhania_genistifolia' 000011-0000110010000100000011010000100-0013-10 'Relhania_viscosa' 0000110000011001000010000001101000010000013-10 'Relhania_squarrosa' 0000111000011001000010000001101010010000013-10 'Relhania_conferta' 000011100001100100001000000110100000--10113-1- 'Relhania_steyniae' 000010000101100100001000000110100000--00013-10 'Relhania_garnotii' 000011100000100100002--00011101000011000113-10 'Relhania_multipunctata' 000011000001200101001000000110111000---0013-1- 'Relhania_resinifera' 0000110000012001011010000001101000010000013-10 'Relhania_sedifolia' 0000110000012001011010000001101-10010000013010 'Relhania_foveolata' 0000110000012000000010000001001000010000013-1- 'Relhania_nordenstamii' 0000000000012001011010000001101000010000013-1- 'Relhania_uniflora' 0000100000011000000010000001101000010000013-10 'Relhania_silicicola' 000010000001100100000--0000110100000--10013-1- 'Relhania_pumila' 100011000000000000101020-001201000010100113-11 'Relhania_sessiliflora' 1000110000000000001010200001201000010100113-11 'Relhania_biennis' 100011000000000000100--0-001211010010000013-21 'Relhania_tuberosa' 0100010000010000000000000001101000010000113-10 'Relhania_acerosa' 001011000101100000000--00001101110010000113-1- 'Relhania_decussata' 0000100001001000000011000001001100010000113-10 'Relhania_pungens' 000011000110000000001100-100200101110000113-10 'Relhania_calycina' 000011-00111000000001100-100200101110000113-10 'Relhania_speciosa' 000011-00111-000000011001100200-01110000113-10 'Oedera_capensis' 000011101101000210001011100120100000--00013-1- 'Oedera_hirta' 000011121111000210001011100110100000--00013-1- 'Oedera_imbricata' 000011121111000210001011100120100000--00013-1- 'Oedera_intermedia' 000011101111000210001011100120100000--00013-10 'Oedera_muirii' 000010101111000210001011100100100000--00-13-1-

Antithrixia flavicoma

Oreoleysera montana

Relhania genistifolia

Relhania foveolata

Relhania uniflora

Relhania viscosa

Relhania squarrosa

Relhania multipunctata

Relhania sedifolia

Relhania nordenstamii

Relhania resinifera

Relhania silicicola

Relhania steyniae

Relhania conferta

Oedera intermedia

Oedera imbricata

Oedera capensis

Oedera muirii

Oedera hirta

Relhania tuberosa

Leysera longipes

Relhania garnotii

Relhania tricephala

Relhania corymbosa

Relhania spathulifolia

Relhania relhanioides

Relhania dieterlenii

Relhania rotundifolia

Relhania fruticosa

Relhania acerosa

Relhania decussata

Relhania pungens

Relhania speciosa

Relhania calycina

Relhania sessiliflora

Relhania pumila

Relhania biennis

Leysera leyseroides

Leysera gnaphalodes

Leysera tenella

Rosenia oppositifolla

Rosenia humilis

Rosenia spinescens

Rosenia glandulosa

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

99/98

71

100/100 70/63

90/100

100/100

63/60

97/100

88/100

66

59/62

54/94

100/100

98/99 99/100

87/100 77/100

100/100

93/99

87/100

99/100

99/100

87/100

100/100

90/100

100/100

80/100 65/97

73/96

100/100

C. cinerum/Austria(SH31) C. lachneum/Iceland (SH42) D. muehlenbergii v. tenue/Arizona(SH34) D. reticulatum/Arizona(SH46) D. americanum/Arizona(SH33) D. americanum/Missouri(SH32) D. luridum/Sweden(SH55) D. luridum/Minnesota(SH6) D. min. v. cirsodes/Iceland(SH5) D. min. v. cirsodes/Iceland(SH18) D. min. v. cirsodes/Sweden(SH49) D. min. v. miniatum/Sweden(SH48) D. min. v. miniatum/Finland(SH11) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH3) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH2) D. min. v. miniatum/Minnesota(SH1) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH45) D. min. v. miniatum/Japan(SH28) D. miniatum/India(SH25) D. min. v. miniatum/India(SH24) D. min. v. complicatum/Norway(SH14) D. min. v. complicatum/Norway(SH13) D. min. v. complicatum/India(SH23) D. min. v. complicatum/Sweden(SH50) D. min. v. complicatum/Iceland(SH4) D. min. v. complicatum/Iceland(SH15) D. min. v. miniatum/Iceland(SH27) D. min. v. complicatum/Austria(SH22) D. leptophyllum/Sweden(SH26) D. leptophyllum/Sweden(SH20) D. min. v. miniatum/Austria(SH21) D. linkolae/Sweden(SH17) D. min. v. miniatum/Faeroe Isl.(SH10) D. polyphyllizum/Iceland(SH40) D. sp./Arizona(SH29) D. sp./Arizona(SH30) D. sp./Arizona(SH56) D. sp./Arizona(SH57) D. sp./Arizona(SH19) D. sp./Arizona(SH53) D. sp./Arizona(SH8) D. meiophyllizum/Minnesota(SH44) D. meiophyllizum/Finland(SH39) D. meiophyllizum/Faeroe Isl.(SH38) D. rivulorum/Sweden(SH54) D. deminuens/Sweden(SH35) D. bachmannii/Sweden(SH37) D. cf. bachmannii/Oregon(SH43)

2925

25

18

10

4

16

128

20

15

623

10

232

2

6

4

1

83

2

4

1

2

7

5

24

6

5

2

63

7

9

3

12

4

11

26

6

27

2

4

232

11

7

6

1

14

2

5

33

4

128

1

29

31

41

1

C. cinerum/Austria(SH31) C. lachneum/Iceland (SH42)

D.muehlenbergii v. tenue/Arizona(SH34) D. reticulatum/Arizona(SH46)

D. americanum/Arizona(SH33) D. americanum/Missouri(SH32)

D. luridum/Sweden(SH55) D. luridum/Minnesota(SH6)

D. min. v. cirsodes/Iceland(SH5) D. min. v. cirsodes/Iceland(SH18)

D. min. v. cirsodes/Sweden(SH49) D. min. v. miniatum/Sweden(SH48) D. min. v. miniatum/Finland(SH11) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH3) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH2) D. min. v. miniatum/Minnesota(SH1) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH45)

D. min. v. miniatum/Japan(SH28)

D. miniatum/India(SH25) D. min. v. miniatum/India(SH24)

D. min. v. complicatum/Norway(SH14) D. min. v. complicatum/Norway(SH13)

D. min. v. complicatum/India(SH23) D. min. v. complicatum/Sweden(SH50)

D. min. v. complicatum/Iceland(SH4) D. min. v. complicatum/Iceland(SH15)

D. min. v. miniatum/Iceland(SH27) D. min. v. complicatum/Austria(SH22)

D. leptophyllum/Sweden(SH26) D. leptophyllum/Sweden(SH20)

D. min. v. miniatum/Austria(SH21) D. linkolae/Sweden(SH17)

D. min. v. miniatum/Faeroe Isl.(SH10) D. polyphyllizum/Iceland(SH40)

D. sp./Arizona(SH29) D. sp./Arizona(SH30)

D. sp./Arizona(SH56)

D. sp./Arizona(SH57)

D. sp./Arizona(SH19)

D. sp./Arizona(SH53) D. sp./Arizona(SH8)

D. meiophyllizum/Minnesota(SH44) D. meiophyllizum/Finland(SH39) D. meiophyllizum/Faeroe Isl.(SH38)

D. rivulorum/Sweden(SH54) D. deminuens/Sweden(SH35)

D. bachmannii/Sweden(SH37) D. cf. bachmannii/Oregon(SH43)

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