Спецификация в филогении: Сопоставление генетических и филогенетических деревьев жизни
Основной причиной трудностей в реконструкции Древа жизни может быть чрезмерная зависимость от методов конкатенации. Эти методы объединяют разные гены в единую матрицу, заставляя все гены соответствовать одной топологии, и не учитывают различия между альтернативными деревьями генов. Это, как предполагалось, ведет к неопределенности или противоречиям в филогенетическом дереве плацентарных (эутериевых) млекопитающих.
Ученые из Шэньянского педагогического университета, Университета Цинхуа, Университета Джорджии и Гарвардского университета эмпирически подтвердили, что это действительно так, и что неопределенность, порождаемая конкатенацией, может встречаться и в других кладах. Они также показали, что такие противоречия можно разрешить, дополняя филогеномные данные коалесцентными методами, которые учитывают различия в геномных деревьях предков.
Проблема методов конкатенации
Методы конкатенации основаны на предположении, что все гены имеют одинаковую или сходную филогению. Однако в наборе данных по млекопитающим, использованном командой, гетерогенность деревьев генов встречается повсеместно. Вычислительное моделирование предсказывало, что игнорирование этой гетерогенности может приводить к ошибочным филогениям.
Чтобы проверить это, исследователи применили инновационный подход субвыборки локусов и таксонов. Если гетерогенность деревьев генов действительно является мешающим фактором, результаты метода конкатенации должны варьироваться в зависимости от истории генов в конкретной подвыборке. Анализ подтвердил это предсказание:
- Деревья, построенные методом конкатенации на разных подвыборках, часто конфликтовали друг с другом, несмотря на высокие статистические показатели поддержки (например, бутстрэп).
- Деревья, сгенерированные из подвыборок с помощью коалесцентного метода, были значительно более топологически согласованными.
Ключевые выводы исследования
- Коалесцентные методы предпочтительнее для работы с наборами данных, обладающими высокой гетерогенностью деревьев генов.
- Для получения точной филогении критически важно собрать достаточное количество локусов, даже несмотря на важность выборки таксонов. Интенсивная выборка таксонов не может компенсировать эффект недостаточной генетической выборки.
- Неполная сортировка линий (ILS) — основной источник гетерогенности деревьев генов — актуальна для филогении глубокого уровня, что противоречит традиционному представлению о её relevance только для недавних радиаций. ILS широко распространена в кодирующих последовательностях.
Разрешение противоречий
Мультивидовой коалесцентной моделью можно объяснить 77% гетерогенности деревьев генов, наблюдаемой в наборе данных по млекопитающим. Это указывает, что коалесцентный подход дает более точную картину сложной филогенетической реальности, когда гетерогенность распространена.
Противоречивое поведение методов конкатенации подтверждает, что они не подходят для геномных данных с существенным уровнем гетерогенности. Устойчивость коалесцентных методов к вариациям в выборке генов и таксонов демонстрирует их превосходство в построении видовых филогений на основе филогеномных данных.
Ключевой вывод: разрешение филогении эутериевых млекопитающих и других клад Древа жизни потребует большого объема данных в геномном масштабе и применения методов, учитывающих гетерогенность.
Будущие шаги и значение
Следующим шагом ученых станет оценка пригодности различных моделей построения деревьев для разных типов геномных данных и изучение влияния характеристик этих данных на эффективность методов.
Помимо эволюционной биологии, хорошо разрешенная филогения имеет важное значение для сравнительной геномики и биомедицинских наук. Данное исследование предоставляет пример и план для построения точных филогений с использованием геномных данных.