Multilokus Migrations-Selektions-Modelle

Natürliche Populationen sind häufig geographisch strukturiert und leben unter heterogenen Umweltbedingungen. Bekanntermaßen kann Populationsstruktur bedeutende evolutionäre Konsequenzen haben. Zum Beispiel kann dadurch erhöhte genetische Variabilität erhalten werden oder es kann zu ökologischer Spezialisierung und, letztendlich, zu Artbildung kommen. Die Effekte von geographischer Strukturierung, von Migration, und räumlich variabler Selektion sind aber nur für den Fall gut verstanden, dass Selektion auf einen Genort wirkt. Im allgemeinen wirkt sie aber auf mehrere, da die meisten wichtigen Merkmale quantitativ sind und von vielen Genen beeinflusst werden. Dieses Projekt ist der Analyse populationsgenetischer Modelle gewidmet, die Evolution unter Migration, Rekombination und Selektion auf multilokus Genotypen beschreiben. Solche Modelle werden üblicherweise mithilfe von Systemen nichtlinearer Differenzen- oder Differentialgleichungen formuliert. Die beiden folgenden, eng zusammenhängenden, Ziele werden angestrebt. Das erste ist die Identifikation von Bedingungen, unter denen Polymorphismus an mehreren Genorten durch ein Gleichgewicht aus Migration und Selektion erhalten werden kann; besonderes Augenmerk liegt dabei auf Bedingungen, unter denen das in panmiktischen Populationen unmöglich ist. Das zweite Ziel besteht in der Identifizierung von Bedingungen, die lokale Anpassung und ökologische Spezialisierung ermöglichen. Zur Erreichung dieser Ziele sollen insbesondere drei ökologisch motivierte Szenarien studiert werden: heterogene Umwelt (Selektion) ohne Populationsstruktur (Levene Modell), antagonistische gerichtete Selektion in zwei Habitaten, die durch Migration verbunden sind, und stabilisierende Selektion auf ein quantitatives Merkmal, wobei der optimale Phänotyp zwischen den Habitaten variiert. Methodisch sollen diese Ziele erreicht werden, in dem einerseits mathematische Methoden aus der Theorie der dynamischen Systeme herangezogen werden um damit die Gleichgewichts- und Stabilitätsstruktur der zugrunde liegenden Modelle zu bestimmen. Andrerseits sollen ergänzend dazu umfangreiche numerische Studien durchgeführt werden.

Natürliche Populationen sind häufig geographisch strukturiert und damit verschiedensten Umweltbedingungen unterworfen. Die dadurch ausgelöste Selektion kann eine Reihe von interessanten Folgen für die Evolution solcher Arten haben. Einerseits kann die genetische Diversität in derartigen Populationen erhöht sein, weil in verschiedenen Umwelten unterschiedliche genetische Typen besser angepasst sind. Andererseits kann stetig verbesserte Anpassung an lokale Gegebenheiten und reduzierte Migration zwischen den Teilpopulationen zu verstärkter Differenzierung und, letztendlich, auch zu Artbildung führen.In diesem Projekt wurden populationsgenetische Modelle mathematisch analysiert, die Evolution unter dem Einfluss von Migration, Rekombination und Selektion auf Merkmale beschreiben, die von mehreren oder vielen Genen beeinflusst werden. In einer Hauptrichtung der Forschungsarbeit wurden Bedingungen identifiziert, unter denen Polymorphismus an mehreren Genorten oder für mehrere Allele an einem Genort erhalten werden kann. Dabei war das Hauptaugenmerk auf Bedingungen gerichtet, die charakteristisch für räumlich strukturierte Population sind, also in einer gleichförmigen Umwelt keine Polymorphismen erlauben. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass selbst in gut durchmischten, daher genetisch homogenen, Populationen räumlich heterogene Selektion Polymorphismus an jenen Genorten erhalten kann, an denen verschiedene Allele an verschiedenen Orten optimal angepasst sind und diese zumindest partiell dominant sind. Dabei spielen also sogenannte Genotyp-Umwelt Interaktionen eine bedeutende Rolle.In einem zweiten Hauptteil wurde die Evolution von lokaler Anpassung und Differenzierung untersucht. Es wurde gezeigt, dass Anpassung und Differenzierung dann besonders leicht evolvieren, wenn neue, lokal adaptive Mutationen nahe (auf der DNA) an einem bereits polymorphen Genort auftreten, der ebenfalls zur Differenzierung beiträgt. Dadurch kann es zu Anhäufungen von Genen entlang eines Chromosoms kommen, die alle an lokaler Anpassung beteiligt sind. Das führt zu interessanten Vermutungen über die Evolution von genetischer Architektur und von Mechanismen, wie Chromosomeninversionen, die Rekombination unterdrücken.