Modeling minimum viable population size with multiple genetic problems of small populations

• Published in: Conservation biology Vol. 36; no. 5; pp. e13940 - n/a
• Main Authors: Nabutanyi, Peter, Wittmann, Meike J.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: United States Blackwell Publishing Ltd 01.10.2022
• Subjects: acumulación de mutaciones; Balancing; balancing selection; Conservation; Conservation genetics; Conservation of Natural Resources; depresión endogámica; diversidad genética; Empirical analysis; extinction vortex; Genetic diversity; Genetic drift; Genetic processes; Genetic Variation; Genetics; Genetics, Population; Genomes; Inbreeding; Inbreeding depression; Models, Genetic; Mutation; mutation accumulation; Mutation rates; Population; Population Density; Population genetics; Population number; Populations; Probability theory; selección estabilizadora; Selection, Genetic; Species extinction; Survival; vórtice de extinción; 平衡选择; 灭绝漩涡; 突变积累; 近交衰退; 遗传多样性; genetic diversity; selección estabilizadora; 灭绝漩涡; 平衡选择; 突变积累; diversidad genética; mutation accumulation; vórtice de extinción; 遗传多样性; extinction vortex; 近交衰退; acumulación de mutaciones; inbreeding depression; balancing selection; depresión endogámica
• ISSN: 0888-8892; 1523-1739
• DOI: 10.1111/cobi.13940

An important goal for conservation is to define minimum viable population (MVP) sizes for long‐term persistence of a species. There is increasing evidence of the role of genetics in population extinction; thus, conservation practitioners are starting to consider the effects of deleterious mutations (DM), in particular the effects of inbreeding depression on fitness. We sought to develop methods to account for genetic problems other than inbreeding depression in MVP estimates, quantify the effect of the interaction of multiple genetic problems on MVP sizes, and find ways to reduce the arbitrariness of time and persistence probability thresholds in MVP analyses. To do so, we developed ecoevolutionary quantitative models to track population size and levels of genetic diversity. We assumed a biallelic multilocus genome with loci under single or multiple, interacting genetic forces. We included mutation–selection–drift balance (for loci with DM) and 3 forms of balancing selection for loci for which variation is lost through genetic drift. We defined MVP size as the lowest population size that avoids an ecoevolutionary extinction vortex. For populations affected by only balancing selection, MVP size decreased rapidly as mutation rates increased. For populations affected by mutation–selection–drift balance, the MVP size increased rapidly. In addition, MVP sizes increased rapidly as the number of loci increased under the same or different selection mechanisms until even arbitrarily large populations could not survive. In the case of fixed number of loci under selection, interaction of genetic problems did not always increase MVP sizes. To further enhance understanding about interaction of genetic problems, there is need for more empirical studies to reveal how different genetic processes interact in the genome. Resumen Un objetivo importante de la conservación es definir los tamaños de una población mínima viable (PMV) para la persistencia a largo plazo de una especie. Cada vez hay más evidencia del papel que tiene la genética en la extinción poblacional; por lo tanto, quienes practican la conservación comienzan a considerar los efectos de las mutaciones deletéreas (MD) causadas por los cambios en la adaptabilidad ocasionados por la depresión endogámica. Buscamos desarrollar varios métodos que consideren otros problemas genéticos además de la depresión endogámica en las estimaciones de la PMV, cuantifiquen el efecto de la interacción entre múltiples problemas genéticos sobre los tamaños de la PMV y encuentren maneras para reducir la arbitrariedad de los umbrales de tiempo y de probabilidad de persistencia en los análisis de la PMV. Para realizar lo anterior, desarrollamos unos modelos cuantitativos ecoevolutivos para darle seguimiento al tamaño poblacional y a los niveles de diversidad genética. Partimos de un supuesto genoma bialélico multilocus con loci bajo una o varias fuerzas genéticas en interacción. Incluimos un equilibrio de mutación‐selección‐deriva (para los loci con MD) y tres formas de selección equilibradora para los loci cuya variación se pierde mediante la deriva génica. Definimos el tamaño de la PMV como el tamaño poblacional más reducido que evita un vórtice de extinción ecoevolutiva. Para las poblaciones afectadas solamente por la selección equilibradora, el tamaño de la PMV disminuyó rápidamente conforme incrementaron las tasas de mutación. Para las poblaciones afectadas por el equilibrio mutación‐selección‐deriva, el tamaño de la PMV incrementó rápidamente. Además, los tamaños de la PMV incrementaron rápidamente conforme el número de loci incrementó bajo el mismo mecanismo de selección o alguno distinto hasta que las poblaciones arbitrariamente grandes no podían sobrevivir más. En el caso de un número fijo de loci bajo selección, la interacción de los problemas genéticos no siempre incrementó el tamaño de la PMV. Para incrementar aún más el conocimiento sobre las interacciones de los problemas genéticos, se necesitan más estudios empíricos que revelen cómo los diferentes procesos genéticos interactúan en el genoma. 【摘要】 保护的一个重要目标是为物种长期续存确定最小可存活种群 (MVP) 大小。越来越多的证据表明遗传学在种群灭绝中的作用;因此, 保护工作者开始在近交衰退影响适合度的基础上考虑有害突变的影响。本研究旨在设计方法以在 MVP 估计中考虑近交衰退以外的遗传问题, 量化多种遗传问题对 MVP 大小的相互影响, 并找到在 MVP 分析中减少时间和续存概率阈值随机性的方法。为此, 我们开发了生态进化量化模型来追踪种群大小和遗传多样性水平。我们假定存在一个多位点的二倍体基因组, 其基因组位点受到单一或多个相互作用的遗传力的影响。对于有害突变位点, 我们考虑突变‐选择‐漂移的平衡, 而对在遗传漂变中丢失变异的位点, 考虑三种形式的平衡选择。我们将 MVP 大小定义为可以避免生态进化灭绝漩涡的最小种群数量。对于只受平衡选择影响的种群, MVP 大小随着突变率的增加而迅速减少。而对于受突变‐选择‐漂移平衡影响的种群, MVP 大小则会迅速增加。此外, 在相同或不同的选择机制下, MVP 大小随着基因组位点数量的增加而迅速增加, 直至任意大的种群都无法存活。在受选择位点数量一定的情况下, 多种遗传问题的相互作用并不总是增加 MVP 大小。为了进一步加强对遗传问题相互作用的理解, 仍需进行更多的实证研究, 以揭示不同遗传学过程在基因组中的相互作用。【翻译:胡怡思;审校:聂永刚】