Genetic species concept as applied to multilocus nuclear data

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Using the example of multiple species groups and species complexes, it is empirically shown that the resolving power of a set of 10–20 nuclear loci is insufficient for the study of their genetic differentiation. For the adequate analysis of phylogenetic relationships (including reticulation events) and assessment of divergence levels within such groups of closely related species, it is necessary to multiply the number of nuclear loci and transit to high-throughput next-generation deep sequencing. However, the question of the genomic coverage required for the purposes of such study remains open. In other words, exactly how many genes in a set are needed to measure the genetic distance resolving the relationships between branches on the phylogenetic tree reconstruction of a complex of closely related species? We chose protein-coding sequences as a standard set of markers. Distances for 160–180 genes with a combined length of 270 000–300 000 bp were used to estimate the divergence levels of closely related mammalian species. In most cases, the interspecific distances are within the 0.15–0.75% range (median of 0.33%). The range of distances between semi-species is 0.12–0.28% (median of 0.14%). Intraspecific distances are always lower than 0.11%. Rodents show higher values of interspecific distances, 0.25–2.3% (median of 0.72%); distances between half-species range from 0.1 to 0.35%. To determine the number of nuclear loci and their combined length sufficient for the calculation of a genetic distance, we use simulations based on a model that included the following parameters: the average rate of gene evolution, its dispersion, and the level of polymorphism in the modern and ancestral populations. We performed a preliminary analysis of the distribution of loci evolution rates among mammalian taxa based on the data on ~50 thousand nuclear markers. It is shown that a relative error of 10–15%, comparable to the same value for mitochondrial distances between close species based on individual genes (approximately 1000 bp in length), is achieved using approximately 100 loci of 300 bp in length. Based on these data, we propose the following working hypothesis: the threshold of interspecific/intraspecific genetic distance calculated on the basis of the exons most frequently used in mammalian molecular phylogenetics is approximately 0.15%. This hypothesis assumes a species rank for the forms in statu nascendi. It should be noted that not all “good” species have significant genetic distances, since in some cases reproductive barriers form faster than substitutions accumulate in the genome.

全文:

受限制的访问

作者简介

V. Lebedev

Moscow State University

Email: wslebedev@mail.ru

Zoological Museum

俄罗斯联邦, Moscow

S. Kosushkin

Engelhardt Institute of Molecular Biology, RAS

Email: toki@mail.ru
俄罗斯联邦, 119991, Moscow, Vavilova, 32

A. Bannikova

Moscow State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: hylomys@mail.ru

Department of Vertebrate Zoology

俄罗斯联邦, 119234, Moscow, Leninskiye Gory, 1, Bld. 12

参考

  1. Грицышин В.А., Лисенкова А.А., Сперанская А.С., Артюшин И.В., Шефтель Б.И. и др., 2023. Мультилокусный анализ филогенетических отношений в видовом комплексе Crocidura suaveolens sensu lato: сравнение с митохондриальными данными // Докл. РАН. T. 509. № 3. С. 147–154. https://doi.org/10.1134/S0012496623700308
  2. Лисенкова А.А., Лебедев В.С., Ундрахбаяр Э., Богатырева В.Ю., Мельникова М.Н. и др., 2023. Филогения видового комплекса Dipus sagitta по результатам секвенирования ядерных генов // Докл. РАН. Т. 509. С. 155–160. https://doi.org/10.1134/S0012496623700230
  3. Allio R., Delsuc F., Belkhir K., Douzery E.J., Ranwez V., Scornavacca C., 2024. OrthoMaM v12: A database of curated single-copy ortholog alignments and trees to study mammalian evolutionary genomics // Nucleic Acids Res. V. 52. № D1. Р. D529–D535.
  4. Avise J.C., Ball R.M., 1990. Principles of genealogical concordance in species concepts and biological taxonomy // Oxford Surveys in Evolutionary Biology. V. 7 / Еds Futuyma D.J., Antonovics J. Oxford: Oxford Univ. Press. P. 45–67.
  5. Avise J.C., Johns G.C., 1999. Proposal for a standardized temporal scheme of biological classification for extant species // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 96. P. 7358–7363.
  6. Avise J.C., Liu J.X., 2011. On the temporal inconsistencies of Linnean taxonomic ranks // Biol. J. Linn. Soc. V. 102. P. 707–714. https://doi.org/10.1111/j.1095-8312.2011.01624.x
  7. Avise J.C., Mitchell D., 2007. Time to standardize taxonomies // Syst. Biol. V. 56. № 1. P. 130–133. https://doi.org/10.1080/10635150601145365
  8. Baird S.J., Macholan M., 2012. What can the Mus musculus musculus/M. m. domesticus hybrid zone tell us about speciation? // Turkish J. Zool. V. 30. P. 459–464.
  9. Baker R.J., Bickham J.W., 1986. Speciation by monobrachial centric fusions // Proc. Natl. Acad. Sci. V. 83. P. 8245–8248. https://doi.org/10.1073/pnas.83.21.8245
  10. Baker R.J., Bradley R.D., 2006. Speciation in mammals and the genetic species concept // J. Mammal. V. 87. № 4. P. 643–662. https://doi.org/10.1644/06-MAMM-F-038R2.1
  11. Bateson W., 1909. Heredity and variation in modern lights // Darwin and Modern Science / Еd. Seward A.C. Cambridge: Cambridge Univ. Press. P. 85–101.
  12. Bergeron L.A., Besenbacher S., Zheng J., Li P., Bertelsen M.F., et al., 2023. Evolution of the germline mutation rate across vertebrates // Nature. V. 615. P. 285–290. https://doi.org/10.1038/s41586-023-05752-y
  13. Bergström A., Stanton D.W., Taron U.H., Frantz L., Sinding M.H.S., et al., 2022. Grey wolf genomic history reveals a dual ancestry of dogs // Nature. V. 607. № 7918. P. 313–320. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04824-9
  14. Bradley B.D., Baker R.J., 2001. A test of the genetic species concept: cytochrome-b sequences and mammals // J. Mammal. V. 82. № 4. P. 960–973. https://doi.org/10.1644/1545-1542(2001)082<0960: ATOTGS>2.0.CO;2
  15. Butlin R.K., 2005. Recombination and speciation // Mol. Ecol. V. 14. № 9. P. 2621–2635.
  16. Coyne J.A., Orr H.A., 2004. Speciation. Sunderland: Sinauer Associates. 545 p.
  17. Dobzhansky T., 1937. Genetics and the Origin of Species. N.-Y.: Columbia Univ. Press. 364 p.
  18. Dobzhansky T., 1950. Mendelian populations and their evolution // Am. Nat. V. 84. № 819. P. 401–418.
  19. Dufresnes C., Lymberakis P., Kornilios P., Savary R., Perrin N., Stöck M., 2018. Phylogeography of Aegean green toads (Bufo viridis subgroup): continental hybrid swarm vs. insular diversification with discovery of a new island endemic // BMC Evol. Biol. V. 18. P. 1–12. https://doi.org/10.1186/s12862-018-1179-0
  20. Fedorova L., Fedorov A., 2003. Introns in gene evolution // Origin and Evolution of New Gene Functions / Ed. Long M. Dordrecht: Springer. 199 p.
  21. Feng Y.-J., Blackburn D.C., Liang D., Hillis D.M., Wake D.B., et al., 2017. Phylogenomics reveals rapid, simultaneous diversification of three major clades of Gondwanan frogs at the Cretaceous–Paleogene boundary // Proc. Natl. Acad. Sci. V. 114. № 29. P. E5864–E5870. https://doi.org/10.1073/pnas.1704632114
  22. Fletcher W., Yang Z., 2009. INDELible: A flexible simulator of biological sequence evolution // Mol. Biol. Evol. V. 26. № 8. P. 1879–1888. https://doi.org/10.1093/molbev/msp098
  23. Gavrilets S., 2003. Perspective: Models of speciation: What have we learned in 40 years? // Evolution. V. 57. № 10. P. 2197–2215. https://doi.org/10.1111/j.0014-3820.2003.tb00233.x
  24. Good J.M., Dean M.D., Nachma M.W., 2008. A complex genetic basis to X-linked hybrid male sterility between two species of house mice // Genetics. V. 179. P. 2213–2228. https://doi.org/10.1534/genetics.107.085340
  25. Gorin V.A., Solovyeva E.N., Hasan M., Okamiya H., Karunarathna D.M.S.S., et al., 2020. A little frog leaps a long way: compounded colonizations of the Indian Subcontinent discovered in the tiny Oriental frog genus Microhyla (Amphibia: Microhylidae) // Peer J. V. 8. Art. e9411. https://doi.org/10.7717/peerj.9411
  26. Grubb P., 2005. Order Artiodactyla // Mammal Species of the World: A Taxonomic and Geographic Reference. 3rd ed. / Eds Wilson D.E., Reeder D.M. Maryland: Johns Hopkins Univ. Press. P. 637–722.
  27. Hecker N., Hiller M., 2020. A genome alignment of 120 mammals highlights ultraconserved element variability and placenta-associated enhancers // Gigascience. V. 9. № 1. Art. giz159. https://doi.org/10.1093/gigascience/giz159
  28. Hedges S.B., Kumar S., 2003. Genomic clocks and evolutionary timescales // Trends Genet. V. 19. № 4. P. 200–206. https://doi.org/10.1016/S0168-9525(03)00053-2
  29. Hennig W., 1966. Phylogenetic Systematic. Urbana: Univ. of Illinois Press. 284 p.
  30. Hofman S., Spolsky C., Uzzell T., Cogălniceanu D., Babik W., Szymura J.M., 2007. Phylogeography of the fire‐bellied toads Bombina: independent Pleistocene histories inferred from mitochondrial genomes // Mol. Ecol. V. 16. № 11. P. 2301–2316. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2007.03309.x
  31. Kamei R.G., Mauro D.S., Gower D.J., Bocxlaer I., van, Sherratt E., et al., 2012. Discovery of a new family of amphibians from northeast India with ancient links to Africa // Proc. Roy. Soc. Lond. B. Biol. Sci. V. 279. № 1737. P. 2396–2401. https://doi.org/10.1098/rspb.2012.0150
  32. Katoh K., Standley D.M., 2013. MAFFT multiple sequence alignment software version 7: Improvements in performance and usability // Mol. Biol. Evol. V. 30. № 4. P. 772–780. https://doi.org/10.1093/molbev/mst010
  33. Lebedev V.S., Shenbrot G.I., Krystufek B., Mahmoudi A., Melnikova M.N., et al., 2022. Phylogenetic relations and range history of jerboas of the Allactaginae subfamily (Dipodidae, Rodentia) // Sci. Rep. V. 12. № 1. Art. 842. https://doi.org/10.1038/s41598-022-04779-x
  34. Mackiewicz P., Matosiuk M., Świsłocka M., Zachos F.E., Hajji G.M., et al., 2022. Phylogeny and evolution of the genus Cervus (Cervidae, Mammalia) as revealed by complete mitochondrial genomes // Sci. Rep. V. 12. Art. 16381. https://doi.org/10.1038/s41598-022-20763-x
  35. Mallet J., 2007. Subspecies, semispecies, superspecies // Encyclop. Biodivers. V. 5. P. 523–526.
  36. Masters J.C., Spencer H.G., 1989. Why we need a new Genetic Species Concept // Syst. Biol. V. 38. № 3. P. 270–279. https://doi.org/10.2307/2992287
  37. Mayden R.L., 1997. A hierarchy of species concepts: The denouement in the saga of the species problem // Species: the Units of Biodiversity / Eds Claridge M.F., Dawah H.A., Wilson M.R. L.: Chapman & Hall. P. 381–424.
  38. Mayr E., 1942. Systematics and the Origin of Species. N.-Y.: Columbia Univ. Press. 334 p.
  39. Mayr E., 1969. The biological meaning of species // Biol. J. Linn. Soc. V. 1. № 3. P. 311–320.
  40. Meredith R.W., Janecka J.E., Gatesy J., Ryder O.A., Fisher C.A., et al., 2011. Impacts of the Cretaceous Terrestrial Revolution and KPg extinction on mammal diversification // Science. V. 334. № 6055. P. 521–524. https://doi.org/10.1126/science.1211028
  41. Muller H.J., 1939. Reversibility in evolution considered from the standpoint of genetics // Biol. Rev. V. 14. № 3. P. 261–280.
  42. Nei M., 1976. Mathematical models of speciation and genetic distance // Population Genetics and Ecology / Eds Karlin S., Nevo E. N.-Y.: Academic Press. P. 723–765.
  43. Poyarkov N.A., Orlova V.F., Chirikova M.A., 2014. The mitochondrial phylogeography and intraspecific taxonomy of the Steppe Racerunner, Eremias arguta (Pallas) (Lacertidae: Sauria, Reptilia), reflects biogeographic patterns in Middle Asia // Zootaxa. V. 3895. № 2. P. 208–224.
  44. Queiroz K., de, Gauthier J., 1992. Phylogenetic taxonomy // Annu. Rev. Ecol. Syst. V. 23. P. 449–480.
  45. Raspopova A.A., Lebedev V.S., Searle J.B., Bannikova A.A., 2023. Discordant phylogenies in the Sorex araneus group (Soricidae, Mammalia): Footprints of past reticulations? // Zool. Scr. V. 52. № 4. P. 331–344. https://doi.org/10.1111/zsc.12590
  46. Reis M., dos, Inoue J., Hasegawa M., Asher R.J., Donoghue P.C., Yang Z., 2012. Phylogenomic datasets provide both precision and accuracy in estimating the timescale of placental mammal phylogeny // Proc. Roy. Soc. Lond. Ser. B. Biol. Sci. V. 279. № 1742. P. 3491–3500. https://doi.org/10.1098/rspb.2012.0683
  47. Salvi D., Pinho C., Mendes J., Harris D.J., 2021. Fossil-calibrated time tree of Podarcis wall lizards provides limited support for biogeographic calibration models // Mol. Phyl. Evol. V. 161. Art. 107169. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2021.107169
  48. Schilthuizen M., 2000. Dualism and conflicts in understanding speciation // BioEssays. V. 22. № 12. P. 1135–1141.
  49. Schöneberg Y., Winter S., Arribas O., Nicola M.R., Master M., et al., 2023. Genomics reveals broad hybridization in deeply divergent Palearctic grass and water snakes (Natrix spp.) // Mol. Phyl. Evol. V. 184. Art. 107787. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2023.107787
  50. Simpson G.G., 1943. Criteria for genera, species, and subspecies in zoology and paleontology // Ann. N.Y. Acad. Sci. V. 44. № 2. P. 145–178.
  51. Singh B.N., 2021. Taxonomic status of Drosophila pallidosa: A species in statu nascendi // J. Sci. Res. V. 65. № 1. P. 85–87.
  52. Swofford D.L., 2003. PAUP*. Phylogenetic analysis using parsimony (*and other methods). v. 4.0b10. Sunderland: Sinauer Associates.
  53. Taverner P.A., 1920. A test of the subspecies // J. Mammal. V. 1. № 3. P. 124–127.
  54. Veith M., Kosuch J., Vences M., 2003. Climatic oscillations triggered post-Messinian speciation of Western Palearctic brown frogs (Amphibia, Ranidae) // Mol. Phyl. Evol. V. 26. № 2. P. 310–327. https://doi.org/10.1016/S1055-7903(02)00324-X
  55. Webster A.J., Payne R.J.H., Pagel M., 2003. Molecular phylogenies link rates of evolution and speciation // Science. V. 301. № 5632. P. 478. https://doi.org/10.1126/science.1083202
  56. Yang B.T., Zhou Yu., Min M.S., Matsui M., Dong B.J., et al., 2017. Diversity and phylogeography of Northeast Asian brown frogs allied to Rana dybowskii (Anura, Ranidae) // Mol. Phyl. Evol. V. 112. P. 148–157. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2017.04.026
  57. Zhang D.X., Hewitt G.M., 2003. Nuclear DNA analyses in genetic studies of populations: practice, problems and prospects // Mol. Ecol. V. 12. № 3. P. 563–584. https://doi.org/10.1046/j.1365-294X.2003.01773.x
  58. Zhang P., Wake D.B., 2009. Higher-level salamander relationships and divergence dates inferred from complete mitochondrial genomes // Mol. Phyl. Evol. V. 53. № 2. P. 492–508. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2009.07.010

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. The range of interspecific and intraspecific variability: a – for different orders of mammals, b – for the order Rodentia.

下载 (311KB)
索引源数据
3. Annex
下载 (457KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».