An empirical comparison of population genetic analyses using microsatellite and snp data for a species of conservation concern



tải về 1.72 Mb.
Chế độ xem pdf
trang1/2
Chuyển đổi dữ liệu08.04.2022
Kích1.72 Mb.
#51561
  1   2
Zimmerman et al 2020 An empirical comparison of population
Tóm tắt


R E S E A R C H A R T I C L E

Open Access

An empirical comparison of population

genetic analyses using microsatellite and

SNP data for a species of conservation

concern


Shawna J. Zimmerman

1,2*


, Cameron L. Aldridge

1,2


and Sara J. Oyler-McCance

1

Abstract



Background: Use of genomic tools to characterize wildlife populations has increased in recent years. In the past,

genetic characterization has been accomplished with more traditional genetic tools (e.g., microsatellites). The

explosion of genomic methods and the subsequent creation of large SNP datasets has led to the promise of

increased precision in population genetic parameter estimates and identification of demographically and

evolutionarily independent groups, as well as questions about the future usefulness of the more traditional genetic

tools. At present, few empirical comparisons of population genetic parameters and clustering analyses performed

with microsatellites and SNPs have been conducted.

Results: Here we used microsatellite and SNP data generated from Gunnison sage-grouse (Centrocercus minimus)

samples to evaluate concordance of the results obtained from each dataset for common metrics of genetic

diversity (H

O

, H


E

, F


IS

, A


R

) and differentiation (F

ST

, G


ST

, D


Jost

). Additionally, we evaluated clustering of individuals using

putatively neutral (SNPs and microsatellites), putatively adaptive, and a combined dataset of putatively neutral and

adaptive loci. We took particular interest in the conservation implications of any differences. Generally, we found

high concordance between microsatellites and SNPs for H

E

, F



IS

, A


R

, and all differentiation estimates. Although there

was strong correlation between metrics from SNPs and microsatellites, the magnitude of the diversity and

differentiation metrics were quite different in some cases. Clustering analyses also showed similar patterns, though

SNP data was able to cluster individuals into more distinct groups. Importantly, clustering analyses with SNP data

suggest strong demographic independence among the six distinct populations of Gunnison sage-grouse with

some indication of evolutionary independence in two or three populations; a finding that was not revealed by

microsatellite data.

(Continued on next page)

© The Author(s). 2020 Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License,

which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give

appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if

changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article's Creative Commons

licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article's Creative Commons

licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain

permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

.

The Creative Commons Public Domain Dedication waiver (



http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/

) applies to the

data made available in this article, unless otherwise stated in a credit line to the data.

* Correspondence:

szimmerman@usgs.gov

1

U.S. Geological Survey, Fort Collins Science Center, 2150 Centre Avenue,



Bldg. C, Fort Collins, CO 80526, USA

2

Department of Ecosystem Science and Sustainability and Natural Resource



Ecology Laboratory, Colorado State University, Fort Collins, CO 80526, USA

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

https://doi.org/10.1186/s12864-020-06783-9




(Continued from previous page)

Conclusion: We demonstrate that SNPs have three main advantages over microsatellites: more precise estimates of

population-level diversity, higher power to identify groups in clustering methods, and the ability to consider local

adaptation. This study adds to a growing body of work comparing the use of SNPs and microsatellites to evaluate

genetic diversity and differentiation for a species of conservation concern with relatively high population structure

and using the most common method of obtaining SNP genotypes for non-model organisms.

Keywords: Population structure, Population genetics, Evolutionarily significant units, Conservation, Genomics,

Microsatellites, Single nucleotide polymorphisms

Background

Accurate estimation of population genetic parameters

has become an important part of wildlife conservation

[

1



]. Genetic characterization can be used to identify pop-

ulations and understand gene flow [

2



5



]. More recently,

genetic data have been used to begin to understand local

adaptation [

6



8

] and to identify groups with distinct

evolutionary or demographic characteristics [

9



12

].

Most past genetic studies of wildlife species have been



accomplished with relatively few (< 20) highly variable

microsatellite loci. Microsatellites, also called simple se-

quence repeats, were discovered in the 1980s and were

quickly adopted as one of the most commonly used gen-

etic markers [

13

,



14

] because they tend to be highly

polymorphic, are evenly distributed throughout the gen-

ome [


15

,

16



], and are located in non-coding regions

allowing the general assumption that neutral processes

were being meausured. Unlike many other types of

markers, microsatellites have a high mutation rate that is

quite variable across different loci. This mutation rate is

the result of slippage during DNA replication, a process

that is not well understood [

17

]. The high mutation rate



of microsatellites that results in highly informative

markers may also lead to an underestimate of heterozy-

gosity through homoplasy, or when two individuals have

the same allelic state through independent mutation and

not from a common ancestor [

17

]. Additionally, repeat-



ability of genotyping across laboratories can be challen-

ging [


18

21



] largely because allele size calls are

somewhat subjective and size determination methods

can impact inferred fragment size [

22

], even with use of



automated software [

23

].



A single nucleotide polymorphism (SNP) is a location

in the DNA sequence where individuals vary at a single

nucleotide. Technological advancements have allowed

creation of much larger SNP genotype datasets, greatly

increasing the number of loci sampled with less effort

and lower cost in comparison to microsatellite develop-

ment and genotyping [

16

]. Because of their high preva-



lence in the genome and the potential to target

functional regions, SNPs are predicted to replace micro-

satellites for genetic characterization [

24

]. SNPs are



more abundant and uniformly distributed across the

genome than microsatellites, and have a well-understood

mutational mechanism with low levels of homoplasy

[

25



], but they have lower allelic diversity [

26

]. Lower



allelic diversity in comparison to microsatellites is

expected, because a nucleotide base at a SNP can only

be one of four possible states: A, T, C, or G. In reality,

the natural pairing of certain bases in DNA structure

and the low likelihood of multiple mutations at one

location results in the majority of SNPs being biallelic.

Because of the relatively low allelic diversity, equal distri-

bution throughout the genome, ascertainment bias of

highly polymorphic microsatellite regions, and relatively

constant mutation rate of SNPs, some have argued that

SNPs provide a more accurate representation of

genome-wide variation [

27

,

28



]. Until recently, SNP

datasets were only available for species with reference

genomes, such as model organisms or important agricul-

tural species. The development of reduced representa-

tion methods to obtain SNP genotypes without a

reference genome has broadened the application of SNP

markers to numerous species [

29

,



30

]. One of the main

appeals of SNP loci is the ease with which high through-

put/automatic analyses can be used in comparison with

development and genotyping of microsatellites [

24

,



31

,

32



] resulting in the generation of large numbers of geno-

types in a relatively short period of time and for minimal

cost. Further, increasing the number of loci sampled is

expected to increase precision of population genetic

estimates [

33

,



34

].

In addition to the potential improvement in precision



of population parameter estimates from the increased

number of loci, the explosion of genomic techniques

and their application to non-model organisms has also

led to the ability to ask new questions about conserva-

tion [

35

,



36

]. SNPs are found in coding and non-coding

regions of the genome and they can represent both

demographic (i.e., drift) and functional (i.e., selection)

processes. Many authors have suggested that conserva-

tion units identified below the species level should

incorporate an evaluation of demographic and evolution-

ary distinctness [

37



41



]. Defining genetically similar

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 2 of 16




units for conservation can inform management actions

(e.g., habitat restoration, translocation) or potentially

impact legal protection status under the Endangered

Species Act (ESA), which allows for the separate protec-

tion of geographically and ecologically distinct popula-

tions [


42

]. The predicted advantages to using SNP data

as opposed to microsatellite data for conservation have

lead us to question if microsatellites will be a useful tool

in the future or will be completely replaced by SNP data.

Technological advancements in genomic approaches

for non-model organisms has resulted in use of reduced

representation sequencing methods to generate large

SNP datasets for many wildlife species; datasets that are

often archived and available for potential future use. Un-

derstanding how SNP data compare to inferences made

from the more traditional microsatellite data is import-

ant for long-term genetic monitoring given the increas-

ing trend of using SNP data for conservation objectives.

Previous studies have compared the relative abilities of

SNP and microsatellite loci to evaluate levels of related-

ness [

43



49

], probability of identity and parentage [

50



54



], create linkage maps [

55

,



56

], evaluate genetic diver-

sity [

43

,



45

,

46



,

51

,



57

61



], and detect low to mid levels

of differentiation [

45

,

57



62

]. Some studies have even



used genome-wide SNP data to identify distinct popula-

tion units [

11

,

12



,

63

,



64

]. Here we used SNP and micro-

satellite datasets from the same group of genetic samples

from a species of conservation concern to empirically

evaluate agreement across marker types for population

genetic analyses and consider the potential consequences

in conservation decision making. The samples we used

are typical of many conservation studies: opportunistic-

ally collected, variable source, variable quality, and from

multiple populations of variable size that are represented

by variable numbers of samples. Additionally, we used

previously identified candidate adaptive loci [

65

] to


evaluate identification of distinct units using datasets

composed of genetic markers reflecting different evolu-

tionary processes.

The Gunnison sage-grouse (

Centrocercus minimus) is

a sagebrush obligate avian species listed as threatened

under the Endangered Species Act in 2014. The species

exists as a network of seven populations predominantly

occurring in Colorado and a small portion of the range

extending into Utah (Fig.

1

) [


66

,

67



]. The majority of in-

dividuals in the species (~ 85

–90%) are located in the

Gunnison Basin population, which is largest in land area

and highest in genetic diversity [

69

]. The six remaining



satellite populations support much smaller numbers of

birds; in descending order San Miguel Basin, Piñon

Mesa, Crawford, Dove Creek-Monticello (Dove Creek

from here on), Cerro Summit-Cimarron-Sims Mesa

(Cimarron from here on), and Poncha Pass (Table

1

)



[

70

].



Genetic

differentiation

is

high


between

all


populations [

69

], local environmental conditions are



variable [

68

], and there is some evidence of adaptive di-



vergence among populations [

65

]. The Poncha Pass



population is thought to have been extirpated in the

1970s, re-established with individuals translocated from

Gunnison Basin, and currently persists as the result of

on-going translocations [

71

]. Consequently, the Poncha



Pass population was not included in the analyses

presented here.

The double digestion RAD-Seq approach to reduced

representation sequencing is one of the most commonly

used genomic library preparations to generate SNP

genotypes. With the increasing use of RAD-Seq gener-

ated SNPs instead of microsatellite data for conservation

questions and monitoring, here we aim to compare

population genetic parameters specifically from RAD-

Seq generated SNPs and microsatellites. To date, few

studies have compared the consequences of marker

types in conservation objectives when a typical RAD-Seq

protocol is used (though see [

34

,



45

,

50



,

51

,



64

]). Given

the impact of decisions made during RAD-Seq protocols

on downstream analysis [

72

], the prevalence of RAD-Seq



generated SNP datasets, and the limited empirical exam-

ples of comparisons to more traditional microsatellite

analyses, more comparisons can provide insight into the

limitations or benefits of RAD-Seq generated SNP data

and the future utility of microsatellite loci. Through pre-

vious studies on this species of conservation concern, we

had access to two range-wide Gunnison sage-grouse

genetic datasets, one of microsatellite [

73

] and one of



SNP loci [

65

]. We had three specific objectives in this



study: (1) compare genetic diversity metrics across data-

sets, (2) compare genetic differentiation metrics across

datasets, and (3) compare clustering methods across

datasets and investigate evidence of evolutionary inde-

pendence among populations.

Results


Genetic diversity

For all diversity metrics, 95% confidence intervals calcu-

lated from SNPs were narrower than confidence inter-

vals from microsatellites (Fig.

2

; Additional file



1

: Table


S1). Microsatellite estimates had large confidence inter-

vals in all cases, which resulted in no significant differ-

ences among population estimates. In contrast, the

narrower confidence intervals with SNPs resulted in

significant differences between populations. Of the four

metrics,


H

O

had the lowest correlation across marker



type (Spearman

ρ = 0.257, Pearson r = 0.345) (Fig.

2

b).


As theoretically expected, values of

H

O



from microsatel-

lites in all populations were ~ 0.500 (range: 0.464

–0.548)

while values from SNPs were lower, ~ 0.200 (range:

0.183

–0.197; Fig.



2

a). However, both marker types re-

sulted in relatively consistent population ranks based on

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 3 of 16




mean

H

O



(

p = 0.031, Wilcoxon paired signed-rank).

Values of

H

E



showed high correlation (Spearman

ρ =


0.886, Pearson

r = 0.925), and relative consistency in

ranking populations across marker types (

p = 0.031,

Wilcoxon paired signed-rank). The values for

H

E



were

within similar ranges as

H

O

, microsatellite estimates



at ~ 0.500 (range: 0.413

–0.578) and SNP estimates at

~ 0.200 (range: 0.154

–0.194; Fig.

2

c and d). Similarly,



allelic richness showed high levels of correlation

(Spearman

ρ = 0.943, Pearson r = 0.925), and consist-

ent ranking of populations by levels of genetic diver-

sity (

p = 0.031, Wilcoxon paired signed-rank) across



marker type (Fig.

2

e and f). Estimates of



F

IS

also



showed relatively high correlation (Spearman

ρ =


0.600,

Pearson


r = 0.978), however, ranking of

Table 1 Sample size for each population of Gunnison sage-

grouse and each marker type

Population

# Samples

2004 Pop. Est.

MSAT

SNP


Cimarron

4

4



74

Crawford


21

12

157



Dove Creek

43

12



98

Gunnison Basin

116

12

3978



Piñon Mesa

19

10



182

Poncha Pass

0

0

10



San Miguel

51

10



206

MSAT microsatellites, SNP single nucleotide polymorphisms. Population

estimates of the 2004 population size = 2004 Pop. Est. [

70

]



Fig. 1 Gunnison sage-grouse distribution. Historical (gray) and current (yellow) distribution of Gunnison sage-grouse in the southwestern United

States. Populations are labeled with respective names. Black rectangle designates the study area. Spatial data files were originally developed by

Schroeder et al. [

66

], and the present map created by SJZ in ArcMap 10.1. The historical range map is as described by Braun et al. [



67

]; the two

northernmost portions of the historical range correspond to an unknown species of sage-grouse and are not verified by Colorado Parks and

Wildlife [

68

]

Zimmerman



et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 4 of 16




populations was not as consistent (

p = 0.563, Wil-

coxon paired signed-rank) across marker types and

the magnitude of the values for each marker type re-

sulted in different inferences in some cases (Fig.

2

g



and h); microsatellites indicated outbred (minimum

value:


− 0.279) to slightly inbred (maximum value

0.071) populations while SNPs indicated slightly to

moderately outbred populations (

− 0.194 – − 0.004).

Genetic differentiation

Generally, genetic differentiation estimates from SNP

datasets had narrower confidence intervals in compari-

son to estimates from microsatellites (Fig.

3

; Additional



file

1

: Table S2) which were significantly correlated in all



pair-wise comparisons (Mantel

r > 0.9, p < 0.001). All dif-

ferentiation metrics had a high correlation across marker

types and datasets (Fig.

4

). For


F

ST

and



G

ST

, confidence



Fig. 2 Comparison of genetic diversity values for Gunnison sage-grouse populations. Confidence intervals (95%) around mean values for

microsatellite (

●) and putatively neutral SNP (▲) loci were constructed. Estimates for observed heterozygosity (H

O

; a), expected heterozygosity



(H

E

; c), allelic richness (A



R

; e), and inbreeding coefficient (F

IS

; g) are shown in the left-hand column. Populations are abbreviated along the x-axis:



CM = Cimarron, CR = Crawford, DC = Dove Creek, GB = Gunnison Basin, PM = Piñon Mesa, SM = San Miguel. Relationships between estimates from

microsatellites and SNPs for H

O

(b), H


E

(d), A


R

(f) and F

IS

(h) are shown in the right-hand column. Spearman rank and Pearson



’s correlation

coefficient are also included in the plots in the right-hand column. Dashed line corresponds to a 1:1 relationship

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 5 of 16



intervals for population estimates from microsatellites

and both SNP datasets typically overlapped (Fig.

3

a and


b). Estimates of D

Jost


from microsatellites and both SNP

datasets did not overlap and the magnitude of microsat-

ellite estimates were consistently much higher in com-

parison to SNP estimates (Fig.

3

c), though the same



general pattern remained (Fig.

4

c and i). Similarly, values



of

G

ST



estimated with microsatellites were also larger in

magnitude than with SNPs, though to a lesser degree

than observed with

D

Jost



(Fig.

3

b).



Clustering

The lowest BIC for hypothetical genetic clusters in

DAPC corresponded to 6 groups with microsatellites

(BIC = 484.603), 5 groups with all SNPs (BIC = 454.768),

and putatively adaptive SNPs (BIC = 298.376), and 4 with

putatively neutral SNPs (BIC = 449.803). The optimal

number of PCs to include in the DAPC analysis as deter-

mined by the a-score method was 22 for microsatellites,

6 for all SNPs, 5 for putatively neutral SNPs, and 6 for

putatively adaptive SNPs. Clustering of individuals in

Fig. 3 Comparison of genetic differentiation values for pair-wise comparisons of Gunnison sage-grouse populations. Confidence intervals (95%)

around mean values for microsatellite (

●), putatively neutral SNP (▲), and all SNP (■) loci. Pair-wise estimates are for F

ST

(a), G



ST

(b), and D

Jost

(c).


Populations in pair-wise comparisons are abbreviated along the x-axis: CM = Cimarron, CR = Crawford, DC = Dove Creek, GB = Gunnison Basin,

PM = Piñon Mesa, SM = San Miguel; CM.CR = F

ST

between Cimarron and Crawford



Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 6 of 16



DAPC with microsatellites identified Piñon Mesa as the

only population that clearly separates from the other

populations along discriminant function 1 (Fig.

5

a),



while discriminant function 2 pulls populations into

identifiable groups though still with overlap (Fig.

5

a).


With all and putatively neutral SNPs, discriminant func-

tion 1 separates Gunnison Basin and Piñon Mesa from

the other populations (Fig.

5

b and c), and discriminant



function 2 separates Dove Creek (Fig.

5

b and c). The



candidate adaptive loci dataset shows Piñon Mesa and

Dove


Creek

clearly


separated

along


discriminant

function 1, while San Miguel, Cimarron, Crawford, and

Gunnison Basin cluster together (Fig.

5

d).



The dendrogram created from microsatellite data

generally grouped individuals into known populations

where

Cimarron,



Crawford,

and


Gunnison

Basin


grouped closest together with Piñon Mesa, Dove Creek,

and San Miguel grouping closer together but away from

Fig. 4 Correlation of differentiation metrics for Gunnison sage-grouse populations. Relationships between estimates from different datasets:

microsatellites, putatively neutral SNPs, and all SNPs for F

ST

(a,d,g), G



ST

(b,e,h), and D

Jost

(c,f,i) are shown in respective panels. Axes are labeled by



dataset. Spearman rank and Pearson

’s correlation coefficient are included in the upper left-hand corner of each panel. Dashed line corresponds to

a 1:1 relationship

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 7 of 16




the Cimarron, Crawford, Gunnison Basin individuals

(Fig.


6

a). Cimarron and Crawford individuals were

grouped together on a single branch, along with two

Gunnison Basin individuals. Additionally, two individ-

uals from Gunnison Basin and an individual from San

Miguel cluster with the Dove Creek individuals. Similar

to the clustering pattern observed in DAPC, all SNPs

and putatively neutral SNPs resulted in nearly indistin-

guishable grouping patterns where all populations are

identifiable on individual branches (Fig.

6

b and c, re-



spectively). With both the all SNP and putatively neutral

SNP datasets Cimarron, Crawford, and Gunnison Basin

group most closely, Piñon Mesa is the most distant from

the center, and a single individual sampled in Crawford

grouped with the San Miguel individuals. With neutral

SNPs a single San Miguel individual grouped with

Cimarron (Fig.

6

c). Though similar to the other SNP



dendrograms in that samples clustered into distinct

Fig. 5 Star-plots of DF1 (x-axis) and DF2 (y-axis) from discriminant analysis of principle components (DAPC) for Gunnison sage-grouse. Panels

correspond to different datasets: a microsatellite, b all SNPs, c putatively neutral SNPs, d and candidate adaptive SNPs. Each point represents an

individual color coded by sampling origin

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 8 of 16



populations, branch lengths appear somewhat longer in

the candidate adaptive loci dataset (Fig.

6

d). When con-



sidering

hierarchical

clustering

using


methods

in

addition to



“ward. D2”, the patterns are generally similar

though some differences are notable, particularly when

comparing the results of microsatellites to any of the

SNP datasets. The

“single” method, which bases branch

length between groups on the closest individual in each

group, does not result in distinct populations using

microsatellite data (Additional file

1

: Fig. S1A), but re-



sults in the same clustering pattern as the

“ward. D2”

method for all SNPs (Additional file

1

: Fig. S1B), puta-



tively neutral SNPs (Additional file

1

: Fig; S1C), and can-



didate loci (Additional file

1

: Fig. S1D). The



“complete”

method, which bases branch length between groups on

the most distant individuals, shows Cimarron, Crawford,

and San Miguel individuals nested between groups of

Gunnison Basin individuals while Dove Creek and Piñon

Mesa are distinct when using microsatellites (Additional

file

1

: Fig. S2A), but results in nearly the same clustering



pattern as with

“ward. D2” when using all SNPs (Add-

itional file

1

: Fig. S2B), putatively neutral SNPs (Add-



itional file

1

: Fig. S2C) and candidate adaptive loci



(Additional file

1

: Fig. S2D), though a single San Miguel



individual clusters with Cimarron using all SNPs and

putatively neutral SNPs (Additional file

1

: Fig. S2B and



S2C).

Discussion

In general, we found that measures of diversity and dif-

ferentiation generated from microsatellite and SNP data

were typically in agreement in ranking of population

Fig. 6 Comparison of dendrograms of individual Gunnison sage-grouse using the hierarchical clustering method

“ward. D2”. Panels correspond

to different datasets: microsatellites (a), all SNPs (b), putatively neutral SNPs (c), and candidate adaptive loci (d). Colors indicate sampling origin

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 9 of 16



estimates, although magnitudes of estimates were quite

different. Metrics of differentiation, however, had con-

sistently higher correlation than most metrics of diver-

sity. Our results also confirmed that increased numbers

of SNP loci can dramatically reduce the confidence

intervals for mean estimates, increasing precision, al-

though this was not true for all differentiation measures.

We also demonstrated that clustering of individuals for

the purpose of identifying evolutionarily or demograph-

ically distinct units can be variable depending on cluster-

ing method used and marker type.

Genetic diversity

Of the four diversity metrics evaluated here,

H

E,



F

IS,


and

A

R



were the metrics with the highest correlation be-

tween microsatellites and SNPs (see Fig.

2

).

H



O

, how-


ever, showed relatively low correlation across marker

types. Several previous studies with variable numbers of

markers, sample sizes, and SNP discovery approaches

generally agree with our correlation of diversity metrics

across marker types, though positive relationships were

sometimes moderate [

43

,

45



,

51

,



58

,

59



,

64

]. None of



these studies report

H

O



, and so there was no comparison

for our relatively low correlation across marker types for

this metric. Still, some argue higher correlation may be

influenced by the number of SNPs [

43

], or whether loci



represent a high proportion of the genome-wide poly-

morphism [

74

,

75



]; two aspects of SNP datasets that will

vary by study and may play a role in our observed corre-

lations. Importantly, similar to findings by Fischer et al.

[

59



], the high variance in microsatellite data for all diver-

sity metrics resulted in almost no significant difference

between populations; differences that were detected with

SNPs. Though we, like others, show high correlation

among marker types, the increased precision in esti-

mates allow distinction of populations when using SNP

data. For general monitoring of changes in diversity for

conservation or management of a species, either marker

type would prove useful. This was not necessarily true

for


F

IS

, where generally high correlation was observed,



though ranking was not as consistent, and SNPs failed to

detect the indication of inbreeding that was apparent

with microsatellites (i.e.,

F

IS



> 0; Fig.

1

& Table S



1

). It is


worth restating that samples were originally selected for

the SNP data based on relatedness values estimated with

the microsatellite data. Logically, selecting minimally re-

lated individuals could result in the SNP data producing

F

IS

estimates consistent with more outbreeding than the



original full microsatellite dataset. However, when we

compared diversity metrics from a reduced microsatellite

dataset including only the individuals used in the SNP

dataset, we find no significant differences for any diver-

sity metric according to the confidence intervals (Table

S

1



). However, the mean F

IS

estimates for the reduced



microsatellite dataset would suggest a change in the sign

of the estimate (i.e., either from inbreeding to outbreed-

ing or outbreeding to inbreeding) for three populations.

SNPs, however, would have an obvious advantage if con-

servation actions required an understanding of the rela-

tive levels or ranking of most measures of genetic

diversity.

Genetic differentiation

In general agreement with multiple studies [

21

,



45

,

58



60

,



64

] all metrics of differentiation showed high correl-

ation between microsatellites and SNP datasets, with

correlation coefficients greater than 0.90 in all tests (Fig.

4

) and significant Mantel correlations (Mantel



r > 0.9,

p ≤ 0.05 for all comparisons). Some argue reliance on a

single measure of differentiation for conservation pur-

poses risks inaccurate characterization of populations

[

76



78

]. Our findings, however, echo other empirical

examples where different metrics result in the same in-

ference [

11

,

60



], but only when ranking populations

(Wilcoxon paired signed-rank test

p ≤ 0.05 in all com-

parisons). Different metrics of population differentiation

showed a consistent pattern of which populations were

most similar, though the magnitude of a metric was

sometimes very different. If the magnitude of the differ-

entiation metric is of conservation relevance, then the

marker types are not equivalent.

The appropriateness of a differentiation metric in con-

servation can be further impacted by additional differ-

ences in marker types. The different metrics measure

different things.

D

Jost



is considered a relative degree of

allelic differentiation, while

F

ST

and



G

ST

are fixation in-



dices [

78

]. Similar to some previous studies, we found



D

Jost


tended to produce values higher in magnitude with

microsatellites than with SNPs [

64

]. Each microsatellite



locus will always have higher per locus allelic diversity

than biallelic SNP loci, and therefore result in higher

magnitude estimates of

D

Jost



[

78

,



79

]. We also found

higher

G

ST



estimates with microsatellites (Fig.

3

b &



Table S

2

), although the magnitude of difference between



the values calculated from different marker types was

not as dramatic as that with

D

Jost


(Fig.

3

c & Table S



2

).

G



ST

depends on heterozygosity, so the higher theoretical

maximum heterozygosity for microsatellite loci (

H

E



= 1),

versus the theoretical maximum heterozygosity for SNP

loci (

H

E



= 0.5), will also result in higher magnitudes of

G

ST



when calculated from microsatellite data. Import-

antly,


F

ST

has proven to be more robust to per locus



allelic diversity and heterozygosity (though see [

59

,



60

]).


From a conservation perspective,

F

ST



may prove most

useful in the transition from microsatellite loci to SNPs

for

genetic


monitoring

because


of

the


observed

consistency across marker types. However,

D

Jost


may ac-

tually be the more relevant conservation metric if

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 10 of 16



comparing relative degrees of differentiation or identify-

ing isolated groups because the level of differentiation

takes into account allelic identity and not just population

level fixation [

78

]. Fixation indices will indicate two pop-



ulations fixed for the same allele are distinct because

both populations lack diversity at a locus while allelic

differentiation metrics will not because the identity of

the fixed allele is the same and therefore populations are

not different at that locus.

The three differentiation metrics evaluated here also

have different sensitivities to the underlying mutation

rate generating each type of marker with

F

ST

proving



more robust [

78

,



80

]. In addition to impacts from muta-

tion rate on different metrics, migration rate and popu-

lation size are also important to consider. Whitlock [

80

]

demonstrated that for low mutation rates, approximately



that of SNPs (10E-9), and low migration rates among a

small number of populations, measures of differentiation

as measured by

D

Jost



will be much smaller in magnitude,

and to a lesser degree, so will

G

ST

. Relatively low levels



of mutation, migration, and small populations typically

correspond to lower allelic diversity. Gunnison sage-

grouse is composed of seven isolated populations, with

very low migration rates among populations, though not

as low as SNP mutation rates. Our comparison of

F

ST



values across marker types demonstrates relatively con-

sistent agreement between both magnitude and ranking

of pair-wise comparisons (Fig.

3

a). As predicted,



D

Jost


and

G

ST



consistently rank comparisons across marker

type, though the magnitude of metrics were lower for

SNPs than microsatellites; much lower in the case of

D

Jost



(Fig.

3

b and c). Overall, our results empirically



demonstrate the predicted impact population configura-

tions can have on measures of differentiation.

Both marker types suffer from additional characteris-

tics that can influence estimates of differentiation. In

addition to the influence of heterozygosity and allelic di-

versity on measures of differentiation, there is a trade-off

between the number of loci and the per locus informa-

tion content. More SNP loci will be required to obtain

the same resolution in differentiation metrics from fewer

microsatellite loci, because the number of alleles per

locus can impact the ability to detect reproductively iso-

lated groups. If a locus only has two alleles, as is typical

with SNP loci, the chances of populations differing in al-

lele frequencies at high enough levels to detect isolation

is lower. Conversely, if a locus has multiple alleles shared

among populations, the differences in allele frequencies

are more likely to be detected, therefore showing the

level of reproductive isolation. Many studies have pro-

vided suggestions on the number of SNPs required to

obtain resolution in differentiation comparable to that

obtained with microsatellites, ranging from two to 11

times more SNP loci [

25

,

57



,

81

]. However, more recent



work has indicated fewer SNPs than previously sug-

gested can be sufficient [

47

,

58



,

60

,



82

]. We did not ex-

plicitly evaluate the number of SNP loci required to

obtain estimates with the precision of microsatellites,

though we do demonstrate that 14,091 biallelic puta-

tively neutral SNPs results in comparable estimates to

22 microsatellites with three to 18 alleles per locus. Our

study likely reflects a typical number of SNPs which

would be obtained with a RAD-Seq protocol, the most

commonly used approach for wildlife species. We there-

fore, demonstrate RAD-Seq generated SNP genotypes

can produce comparable differentiation estimates to

those obtained with microsatellites.

We do not, however, demonstrate a dramatic reduc-

tion in confidence intervals around those measures of

differentiation (Fig.

3

), as has been predicted. However,



in pair-wise comparisons of differentiation, the small

sample size of one of the populations is known to im-

pact the confidence intervals [

83

]. In our data, we see



this trend particularly for

F

ST



and with comparisons in-

volving our smallest population represented by the

fewest samples, Cimarron (Fig.

2

). In species of conser-



vation concern variable population sizes are often

unavoidable, and by increasing the number of loci sam-

pled (> 1000 SNPs) robust estimates of differentiation

can still be obtained [

83

].

Clustering



Contrary to our findings for differentiation, the cluster-

ing analyses showed an increase in precision with SNP

data that is consistent with previous studies [

45

,



61

,

64



].

We used multiple methods to cluster individuals (den-

drograms and DAPC) all of which showed general agree-

ment of clustering by population of origin (Figs.

5

b, c,


and d,

6

b, and c). The SNP data, however, resulted in



tighter groups of individuals (Figs.

5

c and



6

c) relative to

the somewhat loose clusters of individuals with micro-

satellite data (Figs.

5

a and


6

a). The number of individ-

uals sampled varied by marker type in our study (256 in

the microsatellite dataset versus 60 in the SNP datasets),

which could potentially contribute to the lower reso-

lution in clustering analyses when compared to the SNP

data. However, when we looked at clustering of micro-

satellite data using only the 60 individuals included in

the SNP data, the patterns of clustering remain the same

(Additional file

1

: Fig. S3 and S4), similar to what Lemo-



poulos et al. [

45

] found.



The potential impact of conservation actions on a

species local fitness and how that relates to adaptive

divergence is important to consider [

84

], especially for a



species with geographically distinct and declining popu-

lations. Identifying candidate adaptive loci can provide

insight into the potential adaptive divergence among

populations and the potential for local adaption. We also

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 11 of 16



compared clustering of individuals by previously identi-

fied candidate adaptive loci [

65

], an objective that cannot



be accomplished with microsatellite loci (i.e., neutral

loci) alone. We found evidence of adaptive divergence in

two or three populations (Figs.

5

d,



6

d, S


1

D, and S


2

D),


depending on the method used for clustering. Though

the small populations and small sample sizes could be

causing fixation of alleles due to strong drift, the ap-

proaches used to identify candidate adaptive loci gener-

ally control for demography (e.g., BayPass and partial

RDA; see Zimmerman et al. [

65

]).


Comparing the clustering of individuals with all SNP

loci (Figs.

5

b and


6

b) to clustering including only puta-

tively neutral (Figs.

5

c and



6

c) or candidate adaptive

(Figs.

5

d and



6

d) loci, we see that neutral genetic pro-

cesses in Gunnison sage-grouse may be stronger than

adaptive divergence. Evidence of adaptive divergence

corresponded to approximately 6% (942 SNPs) of the

sampled genome. Neutral and adaptive variation are

both important to consider for designation as an ESU or

conservation unit [

37

,

40



]. However, the ratio of neutral

versus adaptive loci undoubtedly influences identifica-

tion of distinct units. In addition to considering the

marker type, it could be important to identify what pro-

portion of the genome must hold the signal for adaptive

divergence for formal designation. The term functionally

significant unit (FSU) was recently suggested to describe

conservation units based on ecologically important genes

[

85

]. More recently, a single ecologically important gene



was used to propose conservation units for salmon [

12

].



Most genes underlying phenotypes are quantitative in

nature with only preliminary ecological links, and so sin-

gle gene definitions of conservation units will be rare at

best [


86

]. Further, the focus on identifying conservation

units based on potential adaptive divergence may result

in unintended consequences such as reduced effort to

conserve or restore habitat [

86

], overlooking the role vic-



ariance events may play in adaptation [

87

], or a failure



to acknowledge traits that are adaptive in a given envir-

onment presently may not be locally adapted in future

environments. Importantly, questions of local adaptation

and evolutionary independence cannot be considered

with microsatellite loci, or any neutral loci alone. At-

tempts to identify distinct units with genetic data should

focus on using SNP data, or a combination of neutral

(microsatellite or SNP) in combination with known eco-

logically important functional regions.

Conclusions

We demonstrated that RAD-Seq generated SNPs from a

non-model organism are generally comparable to micro-

satellites for measuring population genetic parameters,

in agreement with some previous studies [

45

,

51



,

64

].



The rapid progression away from use of microsatellites

and toward use of SNP data in conservation and man-

agement applications highlights the importance of these

types of comparisons and calls into question the future

usefulness of microsatellite data. As we, and others, have

shown, the same general inference can typically be

drawn about population-level genetic differentiation and

diversity, irrespective of marker type. However, we

showed that SNPs had three main advantages over

microsatellites. First, the much smaller confidence inter-

vals around diversity measures allowed distinctions be-

tween populations to be made with SNP data. From a

conservation perspective, all populations of Gunnison

sage-grouse would have been considered equally diverse

using microsatellite loci, while there were clear differ-

ences in relative diversity with SNP data. Second, clus-

tering methods showed a dramatic increase in the power

to separate individuals into distinct groups. Microsatel-

lite data failed to clearly separate individuals into popu-

lations in nearly all instances; populations that were

clearly differentiated with SNP data. Third, SNP data al-

lows consideration of local adaptation.

We also further demonstrated the impact of marker

choice on differentiation metrics

—different marker types

resulted in very different magnitudes. This finding exem-

plifies the dangers of using thresholds for differentiation

and diversity metrics for conservation objectives. If the

magnitude of the value is not of importance, all metrics

except


H

O

and



F

IS

were able to consistently rank popula-



tions or population pairs across marker types in our study.

While we found clear advantages for use of SNPs in popu-

lation genetics, there remain some limitations at present.

Primarily, generation of SNP datasets requires relatively

large quantities of high quality DNA, which is often diffi-

cult to obtain from species of conservation concern. How-

ever, investing in the development of a SNP panel or

using a target capture approach can facilitate use of low

quality samples [

88

]. On the other hand, microsatellites



are extremely useful with low quality samples, are becom-

ing less costly and time consuming to develop (e.g., Castoe

et al. [

89

]), and have already been widely used in conserva-



tion and management programs for long-term monitoring

of many species. Although general usefulness of microsa-

tellites in the future is uncertain, microsatellite loci will

likely remain useful for relatedness, parentage analysis,

and genetic mark-recapture due to their highly poly-

morphic nature and mixed performance with SNP data

[

46

,



47

,

49



,

53

,



54

,

88



].

Methods


Data

Microsatellite genotypes

Blood samples were collected near breeding grounds

within six of the populations as part of a 2005 study

[

69

]. The dataset we use here is composed of 254



Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 12 of 16



individuals from these previously collected samples that

were genotyped at a larger set of microsatellite loci for a

2019 study [

73

]. Sample size varied by population: Cim-



arron = 4, Crawford = 21, Dove Creek = 43, Gunnison

Basin = 116, Piñon Mesa = 19, San Miguel = 51. Popula-

tions are named after nearby Colorado towns with 2 ex-

ceptions, Piñon Mesa is located west of Grand Junction

and San Miguel is south of Norwood. We amplified 22

grouse-specific microsatellite loci using the Polymerase

Chain Reaction (PCR) and with the components and

concentrations described in Oyler-McCance and Fike

[

90

] with thermal profiles and annealing temperatures as



originally published. The microsatellite primers used in-

cluded: MSP11, MSP18, reSGCA5, reSGCA11, SG21,

SG23, SG24, SG28, SG29, SG30, SG31, SG33, SG36,

SG38, SG39, SGCTAT1, SGMS06.4, SGMS06.8, TTT3,

TUT3, TUT4, and WYBG6 [

91



96

]. See Zimmerman

et al. [

73

] for details on DNA extraction and genotyping.



The final microsatellite dataset was composed of 22

relatively polymorphic sampled loci, for a total of 254

individuals, with variable representation by geographic

population.

Single nucleotide polymorphism (SNP) genotypes

From the same 254 previously collected blood samples

that were genotyped at microsatellite loci, a subset were

previously chosen for RAD-Seq [

65

] based on two



criteria: population of origin and relatedness. The goal

was to obtain an equal number of minimally related in-

dividuals from each population. The exception to these

requirements was the Cimarron population, which only

had four samples; consequently all Cimarron samples

were included. These criteria for sample selection were

necessary because of limited available funding and high

enough quality samples. See Zimmerman et al. [

65

] for


details on RAD-Seq library preparation and bioinformat-

ics. The complete SNP dataset was composed of 15,033

loci across 35

“pseudo-chromosomes” (chromosome

scaffolds inferred from synteny with chicken) for 60

individuals (Cimarron = 4, Crawford = 12, Dove Creek =

12, Gunnison Basin = 12, Pinon Mesa = 10, San Miguel =

10). A putatively adaptive SNP dataset composed of all

942 loci that were previously identified as potentially

under selection in outlier locus analyses and genotype-

environment association analyses was also created.

Methods used to identify putatively adaptive loci in-

cluded BayPass [

97

], pcadapt [



98

], and a redundancy

analysis as described in [

99

]. Environmental covariates



used in the genotype-environment association included

average spring precipitation, average fall precipitation,

spring maximum temperature, winter maximum vapor

pressure deficit, compound topographic index (a proxy

for soil moisture), green-up rate (a measure of the pro-

gression of the growing season), big sagebrush cover,

and a dryness index (see Zimmerman et al. [

65

] for de-



tails on loci under selection). A putatively neutral SNP

dataset was created by excluding all putatively adaptive

loci. The final putatively neutral SNP dataset included

14,091 biallelic loci across 34 pseudo-chromosomes, for

60 individuals with relatively equal representation from

each geographic population.

Analysis of genetic diversity

For each putatively neutral dataset, we estimated ob-

served heterozygosity (

H

O



), expected heterozygosity

(

H



E

), allelic richness per locus (

A

R

), and inbreeding coef-



ficient (

F

IS



) using the

‘diveRsity’ [

100

] package in R



[

101


]. Diversity metrics were estimated for each locus

based on 1000 bootstraps and reported as a mean and

95% confidence intervals constructed from the standard

deviation across all loci. Mean allelic richness per locus

was also estimated with rarefaction for comparison (re-

sults included in Additional file

1

: Table S1). Diversity



metrics were calculated for both datasets and used to

compare estimates from microsatellite and putatively

neutral SNPs. Pearson and Spearman rank correlation

coefficients were estimated to evaluate congruence for

all paired metrics. Wilcoxon paired signed-rank test in

the R package

‘MASS’ [

102


] was used to evaluate the

consistency of ranked values among datasets.

Analysis of genetic differentiation

For genetic differentiation we compared analysis results

from microsatellites, all SNPs, and putatively neutral

SNPs. We used the

‘diveRsity’ package in R to calculate

F

ST



[

103


] with confidence intervals based on 1000 boot-

straps. Because there is concern about comparing pair-

wise

F

ST



values when using loci with variable levels of

heterozygosity, we also calculated pair-wise

G

ST

[



104

]

and



D

Jost


[

79

] with confidence intervals based on 1000



bootstraps.

D

Jost



differs from both

F

ST



and

G

ST



in that it

is a measure of the fraction of allelic variation among

populations and is not constrained by the expected level

of heterozygosity within the subpopulation [

79

]. Signifi-



cance of correlation between pair-wise differentiation

measures for each dataset was evaluated with the Mantel

p-value as calculated with the ‘vegan’ R package [

105


].

Analysis of clustering

We compared the identification of distinct units using

microsatellites, all SNPs, putatively neutral SNPs, and

putatively adaptive SNPs. First, we performed discrimin-

nant analysis of principal components (DAPC) with

microsatellites, putatively neutral SNPs, all SNPs, and

candidate adaptive loci with the

‘adegenet’ package in R

[

106



]. DAPC summarizes genotypes in principal compo-

nents (PC) that are then used to construct linear func-

tions

that


simultaneously

maximize


among-cluster

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 13 of 16




variation and minimize within cluster variation. We used

the


K-means clustering algorithm and identified the

number of genetic clusters based on the Bayesian Infor-

mation Criterion (BIC). We retained all of the PCs, ran

the algorithm for 100,000 iterations, and used 10 starting

centroids per run. The number of genetic clusters (

K)

with the lowest BIC was selected, as recommended by



Jombart et al. [

107


]. After we identified optimal

K for


each dataset, we used the a-score method to identify the

optimal number of PCs to retain in DAPC while con-

structing linear functions to describe genetic differenti-

ation among

K groups. Second, we created dendrograms

from an individual-based genetic distance matrix calcu-

lated as the proportion of differing nucleotide sites

[

108



], excluding missing data in pair-wise estimations,

with 1000 bootstraps for each dataset. We used the hier-

archical clustering algorithm

hclust in R and the “ward.

D2

” method [



109

]. The


“ward. D2” method minimizes

the total within cluster variance and minimizes informa-

tion loss associated with each cluster. For comparison of

hierarchical clustering methods we also included den-

drograms created with a more conservative method

tending to form loose groups, sometimes prematurely

(

“single” method; Additional file



1

: Fig. S1) and a more

relaxed method tending to form tighter and smaller

groups (


“complete” method; Additional file

1

: Fig. S2).



For comparison, results for clustering analyses with a re-

duced microsatellite dataset using only individuals in the

SNP dataset are included in the supplemental materials

(Additional file

1

: Fig. S3 and Fig. S4).



Supplementary information

Supplementary information accompanies this paper at

https://doi.org/10.

1186/s12864-020-06783-9

.

Additional file 1: Table S1. Diversity statistics. Table S2. Differentiation



statistics. Fig. S1. Dendrograms created using the

“single” (based on

closest pair) method. Fig. S2. Dendrograms created using the

“complete” (based on furthest pair) method. Fig. S3. Dendrograms

created using microsatellite loci from the 60 individuals included in the

SNP dataset. Fig. S4. Discriminant analysis of principle components

(DAPC) for microsatellite from the 60 individuals sampled for SNPs.

Abbreviations

BIC:

Bayesian information criterion; CM: Cimarron; CR: Crawford;



DAPC: Discriminant analysis of principal components; DC: Dove Creek;

DNA: Deoxyribonucleic acid; ESA: Endangered species act; ESU: Evolutionarily

significant unit; FSU: Functionally significant unit; GB: Gunnison Basin;

MSAT: Microsatellite; PC: Principal component; PCR: Polymerase chain

reaction; PM: Piñon Mesa; SM: San Miguel Basin; SNP: Single nucleotide

polymorphism

Acknowledgements

The data used in this manuscript were collected by many entities for

previous projects. We would like to acknowledge the groups that provided

the original samples explicitly: Colorado Parks and Wildlife (especially Dr.

Anthony D. Apa), the National Park Service, the Bureau of Land Management,

the U.S. Forest Service, volunteers from Western Colorado University, the U.S.

Geological Survey, and Colorado State University. We would also like to

thank those who helped in the review process: Drs. M.P. Miller, W.C. Funk,

M.B. Hooten, and 3 anonymous reviwers. Any use of trade, firm, or product

names is for descriptive purposes only and does not imply en- dorsement

by the U.S. Government.

Authors


’ contributions

SJZ, SJOM and CLA designed the study. SJZ performed analyses. All authors

contributed to the manuscript. All authors have read and approved the

manuscript.

Funding

Not applicable.

Availability of data and materials

The microsatellite dataset is available in the U.S. Geological Survey Science

Base repository,

https://doi.org/10.5066/P920WO0Q

. Genomic sequencing

data for this study were deposited in GenBank (biosample accession

numbers: SAMN10844489-SAMN10844548) and SNP genotypes for this study

were deposited in the U.S. Geological Survey ScienceBase,

https://doi.org/10.

5066/P94ET592

.

Ethics approval and consent to participate



Not applicable. Samples used here were obtained for previously published

studies from birds that had been either killed by hunters or trapped under

Colorado Division of Wildlife IACUC protocols [

69

,



73

].

Consent for publication



Not applicable.

Competing interests

The authors declare that they have no competing interests.

Received: 27 November 2019 Accepted: 14 May 2020

References

1.

Desalle R, Amato G. The expansion of conservation genetics. Nat Rev Genet.



2004;5:702

–12..


2.

Paetkau D, Calvert W, Stirling I, Strobeck C. Microsatellite analysis of

population structure in Canadian polar bears. Mol Ecol. 1995;4:347

–54.


3.

Broders HG, Mahoney SP, Montevecchi WA, Davidson WS. Population

genetic structure and the effect of founder events on the genetic variability

of moose, Alces alces, in Canada. Mol Ecol. 1999;8:1309

–15.

4.

Hauser L, Adcock GJ, Smith PJ, Bernal Ramirez JH, Carvalho GR. Loss of



microsatellite diversity and low effective population size in an overexploited

population of New Zealand snapper (Pagrus auratus). Proc Natl Acad Sci.

2002;99:11742

–7.


5.

Noël S, Ouellet M, Galois P, Lapointe F-J. Impact of urban fragmentation on

the genetic structure of the eastern red-backed salamander. Conserv Genet.

2007;8:599

–606.

6.

de Wit P, Palumbi SR. Transcriptome-wide polymorphisms of red abalone



(Haliotis rufescens) reveal patterns of gene flow and local adaptation. Mol

Ecol. 2013;22:2884

–97.

7.

Lawson LP, Petren K. The adaptive genomic landscape of beak morphology



in Darwin

’s finches. Mol Ecol. 2015;2017:4978–89.

8.

Brousseau L, Fine PVA, Dreyer E, Vendramin GG, Scotti I. Genomics of



microgeographic adaptation in the hyperdominant Amazonian tree Eperua

falcata Aubl. (Fabaceae). bioRxiv. 2018:312843.

9.

Holycross AT, Douglas ME. Geographic isolation, genetic divergence, and



ecological non-exchangeability define ESUs in a threatened sky-island

rattlesnake. Biol Conserv. 2007;134:142

–54.

10.


Quintela M, Berlin S, Wang B, Höglund J. Genetic diversity and

differentiation among Lagopus lagopus populations in Scandinavia and

Scotland: evolutionary significant units confirmed by SNP markers. Mol Ecol.

2010;19:2380

–93.

11.


Funk WC, Lovich RE, Hohenlohe PA, Hofman CA, Morrison SA, Sillett TS,

et al. Adaptive divergence despite strong genetic drift: genomic analysis of

the evoutionary mechanisms causing genetic differentiation in the island

fox (Uryocyon littoralis). Mol Ecol. 2016;25:2176

–94.

12.


Prince DJ, O

’Rourke SM, Thompson TQ, Ali OA, Lyman HS, Saglam IK, et al.

The evolutionary basis of premature migration in Pacific salmon highlights

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 14 of 16




the utility of genomics for informing conservation. Sci Adv. 2017;3:

e1603198.

13.

Tautz D. Hypervariability of simple sequences as a general source for



polymorphic DNA markers. Nucleic Acids Res. 1980;8:4321

–6.


14.

Miesfeld R, Krystal M, Amheim N. A member of a new repeated sequence

family which is conserved throughout eucaryotic evolution is found between

the human

δ and β globin genes. Nucleic Acids Res. 1981;9:5931–48.

15.


Baumung BR, Simianer H, Hoffmann I. Genetic diversity studies in farm

animals


– a survey. J Anim Breed Genet. 2004;121:361–73.

16.


Schlötterer C. Opinion: the evolution of molecular markers

— just a matter

of fashion? Nat Rev Genet. 2004;5:63

–9.


17.

Hansson B, Westerberg L. On the correlation between heterozygosity and

fitness in natural populations. Mol Ecol. 2002;11:2467

–74.


18.

LaHood ES, Moran P, Olsen J, Stewart Grant W, Park LK. Microsatellite allele

ladders in two species of Pacific salmon: preparation and field-test results.

Mol Ecol Notes. 2002;2:187

–90.

19.


Davison A, Chiba S. Laboratory temperature variation is a previously

unrecognized source of genotyping error during capillary electrophoresis.

Mol Ecol Notes. 2003;3:321

–3.


20.

Amos W, Hoffman JI, Frodsham A, Zhang L, Best S, Hill AVS. Automated

binning of microsatellite alleles: problems and solutions. Mol Ecol Notes.

2007;7:10

–4.

21.


Morin PA, Martien KK, Taylor BL. Assessing statistical power of SNPs for

population structure and conservation studies. Mol Ecol Resour. 2009;9:66

–73.

22.


Kim KS, Ratcliffe ST, French BW, Liu L, Sappington TW. Utility of EST-derived

SSRs as population genetics markers in a beetle. J Hered. 2008;99:112

–24.

23.


Vignal A, Milan D, SanCristobal M, Eggen A. Exploring the assumptions

underlying genetic variation in host. Genet Sel Evol. 2002;34:275

–305.

24.


Landegren U, Nilsson M, Kwok P. Reading bits of genetic information:

methods for single-nucleotide polymorphism analysis. Genome Res. 1998;8:

769

–76.


25.

Morin PA, Luikart G, Wayne RK. SNPs in ecology, evolution and

conservation. Trends Ecol Evol. 2004;19:208

–19.


26.

Xing C, Schumacher FR, Xing G, Lu Q, Wang T, Elston RC. Comparison of

microsatellites, single-nucleotide polymorphisms (SNPs) and composite

markers derived from SNPs in linkage analysis. BMC Genet. 2005;6 SUPPL.1:S29.

27.

Brumfield RT, Beerli P, Nickerson DA, Edwards SV. The utility of single



nucleotide polymorphisms in inferences of population history. Trends Ecol

Evol. 2003;18:249

–56.

28.


Väli Ü, Einarsson A, Waits L, Ellegren H. To what extent do microsatellite

markers reflect genome-wide genetic diversity in natural populations? Mol

Ecol. 2008;17:3808

–17.


29.

Baird NA, Etter PD, Atwood TS, Currey MC, Shiver AL, Lewis ZA, et al. Rapid

SNP discovery and genetic mapping using sequenced RAD markers. PLoS

One. 2008;3:e3376.

30.

Davey JW, Hohenlohe PA, Etter PD, Boone JQ, Catchen JM, Blaxter ML.



Genome-wide genetic marker discovery and genotyping using next-

generation sequencing. Nat Rev Genet. 2011;12:499

–510.

31.


Krawczak M. Informativity assessment for biallelic single nucleotide

polymorphisms. Electrophoresis. 1999;20:1676

–81.

32.


Nielsen R. Estimation of population parameters and recombination rates

from single nucleotide polymorphisms. Genetics. 2000;154:931

–42.

33.


Allendorf FW, Hohenlohe PA, Luikart G. Genomics and the future of

conservation genetics. Nat Rev Genet. 2010;11:697

–709.

34.


Bradbury IR, Hamilton LC, Dempson B, Robertson MJ, Bourret V, Bernatchez

L, et al. Transatlantic secondary contact in Atlantic Salmon, comparing

microsatellites, a single nucleotide polymorphism array and restriction-site

associated DNA sequencing for the resolution of complex spatial structure.

Mol Ecol. 2015;24:5130

–44.


35.

Allendorf FW, Luikart G, Aitken SN. Conservation and the genetics of

populations. 2nd ed. New York: Wiley-Blackwell; 2013.

36.


Oyler-McCance SJ, Oh KP, Langin KM, Aldridge CL. A field ornithologist

’s

guide to genomics: practical considerations for ecology and conservation.



Auk. 2016;133:626

–48.


37.

Crandall KA, Bininda-Emonds ORP, Mace GM, Wayne RK. Considering

evolutionary processes in conservation biology. Trends Ecol Evol. 2000;15:

290


–5.

38.


Fraser DJ, Bernatchez L. Adaptive evolutionary conservation: towards a

unified concept for defining conservation units. Mol Ecol. 2001;10:2741

–52.

39.


Palsbøll PJ, Bérubé M, Allendorf FW. Identification of management units

using population genetic data. Trends Ecol Evol. 2007;22:11

–6.

40.


Funk WC, McKay JK, Hohenlohe PA, Allendorf FW. Harnessing genomics for

delineating conservation units. Trends Ecol Evol. 2012;27:489

–96.

41.


Robertson JM, Langin KM, Sillett TS, Morrison SA, Ghalambor CK, Funk WC.

Identifying evolutionarily significant units and prioritizing populations for

management on islands. Monogr West North Am Nat. 2014;7:397

–411.


42.

Waples RS. Evolutionarily significant units and the conservation of biological

diversity under the endangered species act. Am Fish Soc Symp. 1995;17:8

–27.


43.

Miller JM, Malenfant RM, David P, Davis CS, Poissant J, Hogg JT, et al.

Estimating genome-wide heterozygosity: effects of demographic history

and marker type. Heredity (Edinb). 2014;112:240

–7.

44.


Kaiser SA, Taylor SA, Chen N, Sillett TS, Bondra ER, Webster MS. A

comparative assessment of SNP and microsatellite markers for assigning

parentage in a socially monogamous bird. Mol Ecol Resour. 2017;17:183

–93.


45.

Lemopoulos A, Prokkola JM, Uusi-Heikkilä S, Vasemägi A, Huusko A,

Hyvärinen P, et al. Comparing RADseq and microsatellites for estimating

genetic diversity and relatedness

— implications for brown trout

conservation. Ecol Evol. 2019;9:2106

–20.

46.


Hamblin MT, Warburton ML, Buckler ES. Empirical comparison of simple

sequence repeats and single nucleotide polymorphisms in assessment of

maize diversity and relatedness. PLoS One. 2007;2:e1367.

47.


Narum SR, Banks MA, Beacham TD, Bellinger MR, Campbell MR, Dekoning J,

et al. Differentiating salmon populations at broad and fine geographical

scales with microsatellites and single nucleotide polymorphisms. Mol Ecol.

2008;17:3464

–77.

48.


Hauser L, Baird M, Hilborn R, Seeb LW, Seeb JE. An empirical comparison of

SNPs and microsatellites for parentage and kinship assignment in a wild

sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) population. Mol Ecol Resour. 2011;

11(SUPPL. 1):150

–61.

49.


Weinman LR, Solomon JW, Rubenstein DR. A comparison of single

nucleotide polymorphism and microsatellite markers for analysis of

parentage and kinship in a cooperatively breeding bird. Mol Ecol Resour.

2015;15:502

–11.

50.


Mesak F, Tatarenkov A, Earley RL, Avise JC. Hundreds of SNPs vs. dozens of

SSRs: Which dataset better characterizes natural clonal lineages in a self-

fertilizing fish? Front Ecol Evol. 2014;2:74.

51.


Roques S, Chancerel E, Boury C, Pierre M, Acolas M. From microsatellites to

single nucleotide polymorphisms for the genetic monitoring of a critically

endangered sturgeon. Ecol Evol. 2019; in press.

52.


Tokarska M, Marshall T, Kowalczyk R, Wójcik JM, Pertoldi C, Kristensen TN,

et al. Effectiveness of microsatellite and SNP markers for parentage and

identity analysis in species with low genetic diversity: the case of European

bison. Heredity (Edinb). 2009;103:326

–32.

53.


Fernández ME, Goszczynski DE, Lirón JP, Villegas-Castagnasso EE, Carino MH,

Ripoli MV, et al. Comparison of the effectiveness of microsatellites and SNP

panels for genetic identification, traceability and assessment of parentage in

an inbred Angus herd. Genet Mol Biol. 2013;36:185

–91.

54.


Herráez DL, Schäfer H, Mosner J, Fries HR, Wink M. Comparison of

microsatellite and single nucleotide polymorphism markers for the genetic

analysis of a Galloway cattle population. Zeitschrift fur Naturforsch - Sect C J

Biosci. 2005;60:637

–43.

55.


Ball AD, Stapley J, Dawson DA, Birkhead TR, Burke T, Slate J. A comparison

of SNPs and microsatellites as linkage mapping markers: lessons from the

zebra finch (Taeniopygia guttata). BMC Genomics. 2010;11:218.

56.


Schaid DJ, Guenther JC, Christensen GB, Hebbring S, Rosenow C, Hilker CA,

et al. Comparison of microsatellites versus single-nucleotide polymorphisms

in a genome linkage screen for prostate cancer-susceptibility loci. Am J

Hum Genet. 2004;75:948

–65.

57.


Van Inghelandt D, Melchinger AE, Lebreton C, Stich B. Population structure

and genetic diversity in a commercial maize breeding program assessed

with SSR and SNP markers. Theor Appl Genet. 2010;120:1289

–99.


58.

Ryynänen HJ, Tonteri A, Vasemägi A, Primmer CR. A comparison of biallelic

markers and microsatellites for the estimation of population and

conservation genetic parameters in Atlantic salmon (Salmo salar). J Hered.

2007;98:692

–704.


59.

Fischer MC, Rellstab C, Leuzinger M, Roumet M, Gugerli F, Shimizu KK, et al.

Estimating genomic diversity and population differentiation - an empirical

comparison of microsatellite and SNP variation in Arabidopsis halleri. BMC

Genomics. 2017;18:69.

60.


Coates BS, Sumerford DV, Miller NJ, Kim KS, Sappington TW, Siegfried BD, et al.

Comparative performance of single nucleotide polymorphism and microsatellite

markers for population genetic analysis. J Hered. 2009;100:556

–64.


Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 

Page 15 of 16



61.

Morin PA, Archer FI, Pease VL, Hancock-Hanser BL, Robertson KM, Huebinger

RM, et al. An empirical comparison of SNPs and microsatellites for

population structure, assignment, and demographic analyses of bowhead

whale populations. Endanger Species Res. 2012;19:1

–27.


62.

Liu N, Chen L, Wang S, Oh C, Zhao H. Comparison of single-nucleotide

polymorphisms and microsatellites in inference of population structure.

BMC Genet. 2005;6 SUPPL.1:S26.

63.

Pante E, Abdelkrim J, Viricel A, Gey D, France SC, Boisselier MC, et al. Use of



RAD sequencing for delimiting species. Heredity (Edinb). 2015;114:450

–9.


64.

Langin KM, Aldridge CL, Fike JA, Cornman RS, Martin K, Wann GT, et al.

Characterizing range-wide divergence in an alpine-endemic bird: a

comparison of genetic and genomic approaches. Conserv Genet. 2018;

19:1471

–85.


65.

Zimmerman SJ, Aldridge CL, Oh KP, Cornman RS, Oyler-McCance SJ.

Signatures of adaptive divergence among populations of an avian species

of conservation concern. Evol Appl. 2019;12:1661

–77.

66.


Schroeder MA, Aldridge CL, Apa AD, Bohne JR, Braun CE, Bunnell SD, et al.

Distribution of sage-grouse in North America. Condor. 2004;106:363

–76.

67.


Braun CE, Oyler-McCance SJ, Nehring JA, Commons ML, Young JR, Potter

KM. The historical distribution of Gunnison sage-grouse in Colorado. Wilson

J Ornithol. 2014;126:207

–17.


68.

Gunnison sage-grouse Rangewide Steering Committee. Gunnison sage-grouse

rangewide conservation plan. Denver: Colorado Division of Wildlife; 2005.

69.


Oyler-McCance SJ, St John J, Taylor SE, Apa AD, Quinn TW. Population

genetics of Gunnison sage-grouse: implications for management. J Wildl

Manag. 2005;69:630

–7.


70.

United States Fish and Wildlife Service. Endangered and threatened wildlife

and plants; threatened status for Gunnison sage-grouse. Federal Register.

2014;79:69192

–310.

71.


Nehring JA, Apa AD. Gunnison sage-grouse population augmentation to

Poncha pass. Montrose County: Saguache County & Sims Mesa; 2000.

72.

Wright BR, Grueber CE, Lott MJ, Belov K, Johnson RN, Hogg CJ. Impact of



reduced-representation sequencing protocols on detecting population

structure in a threatened marsupial. Mol Biol Rep. 2019; in press.

73.

Zimmerman SJ, Aldridge CL, Apa AD, Oyler-McCance SJ. Evaluation of



genetic change from translocation among Gunnison sage-grouse

(Centrocercus minimus) populations. Condor. 2019;121:1

–14.

74.


Chakraborty R. The distribution of the number of heterozygous loci in an

individual in natural populations. Genetics. 1981;98:461

–6.

75.


DeWoody YD, DeWoody JA. On the estimation of genome-wide

heterozygosity using molecular markers. J Hered. 2005;96:85

–8.

76.


Meirmans PG, Hedrick PW. Assessing population structure: F

ST

and related



measures. Mol Ecol Resour. 2011;11:5

–18.


77.

Verity R, Nichols RA. What is genetic differentiation, and how should we

measure it - G

ST

, D, neither or both? Mol Ecol. 2014;23:4216



–25.

78.


Jost L, Archer F, Flanagan S, Gaggiotti O, Hoban S, Latch E. Differentiation

measures for conservation genetics. Evol Appl. 2018;11:1139

–48.

79.


Jost L. G

ST

and its relatives do not measure differentiation. Mol Ecol. 2008;



17:4015

–26.


80.

Whitlock MC. G

ST

and D do not replace F



ST

. Mol Ecol. 2011;20:1083

–91.

81.


Kalinowski ST. How many alleles per locus should be used to estimate

genetic distances? Heredity (Edinb). 2002;88:62

–5.

82.


Morin PA, Manaster C, Mesnick SL, Holland R. Normalization and binning of

historical and multi-source microsatellite data: overcoming the problems of

allele size shift with allelogram. Mol Ecol Resour. 2009;9:1451

–5.


83.

Willing E-M, Dreyer C, van Oosterhout C. Estimates of genetic differentiation

measured by F

ST

do not necessarily require large sample sizes when using



many SNP markers. PLoS One. 2012;7:1

–7.


84.

Edmands S. Between a rock and a hard place: evaluating the relative risks of

inbreeding and outbreeding for conservation and management. Mol Ecol.

2007;16:463

–75.

85.


van Tienderen PH, de Haan AA, van der Linden CG, Vosman B. Biodiversity

assessment using markers for ecologically important traits. Trends Ecol Evol.

2002;17:577

–82.


86.

Kardos M, Shafer ABA. The peril of gene-targeted conservation. Trends Ecol

Evol. 2018;33:827

–39.


87.

Dimmick WW, Ghedotti MJ, Grose MJ, Maglia AM, Meinhardt DJ, Pennock

DS. The importance of systematic biology in defining units of conservation.

Conserv Biol. 1999;13:653

–60.

88.


Oyler-McCance SJ, Oh KP, Zimmerman SJ, Aldridge CL. The transformative

impact of genomics on sage-grouse conservation and management. In:

Hohenlohe PA, Rajora OP, editors. Population Genomics: Wildlife. Cham:

Springer; 2020.

89.

Castoe TA, Poole AW, de Koning APJ, Jones KL, Tomback DF, Oyler-



McCance SJ, et al. Rapid microsatellite identification from Illumina paired-

end genomic sequencing in two birds and a snake. PLoS One. 2012;7:

e30953.

90.


Oyler-McCance SJ, Fike JA. Characterization of small microsatellite loci

isolated in endangered Indiana bat (Myotis sodalis) for use in non-invasive

sampling. Conserv Genet Resour. 2011;3:243

–5.


91.

Segelbacher G, Paxton RJ, Steinbruck G, Tronteljs P, Storch I.

Characterization of microsatellites in capercaillie Tetrao urogallus (AVES). Mol

Ecol. 2000;9:1934

–5.

92.


Piertney SB, Höglund J. Polymorphic microsatellite DNA markers in black

grouse (Tetrao tetrix). Mol Ecol Resour. 2001;1:303

–4.

93.


Taylor SE, Oyler-McCance SJ, Quinn TW. Isolation and characterization of

microsatellite loci in greater sage-grouse (Centrocercus urophasianus). Mol

Ecol Notes. 2003;3:262

–4.


94.

Caizergues A, Rätti O, Helle P, Rotelli L, Ellison L, Rasplus JY. Population

genetic structure of male black grouse (Tetrao tetrix L.) in fragmented vs.

continuous landscapes. Mol Ecol. 2003;12:2297

–305.

95.


Oyler-McCance SJ, St. John J, Quinn TW. Rapid evolution in lekking grouse:

implications for taxonomic definitions. Ornithol Monogr. 2010;67:114

–22.

96.


Fike JA, Oyler-McCance SJ, Zimmerman SJ, Castoe TA. Development of 13

microsatellites for Gunnison sage-grouse (Centrocercus minimus) using next-

generation shotgun sequencing and their utility in greater sage-grouse

(Centrocercus urophasianus). Conserv Genet Resour. 2015;7:211

–4.

97.


Gautier M. Genome-wide scan for adaptive divergence and association with

population-specific covariates. Genetics. 2015;201:1555

–79.

98.


Luu K, Bazin E, Blum MGB. pcadapt: an R package to perform genome scans

for selection based on principal component analysis. Mol Ecol Resour. 2017;

17:67

–77.


99.

Forester BR, Lasky JR, Wagner HH, Urban DL. Comparing methods for

detecting multilocus adaptation with multivariate genotype-environment

associations. Mol Ecol. 2018;27:2215

–33.

100. Keenan K, McGinnity P, Cross TF, Crozier WW, Prodohl PA. diveRsity: an R



package for the estimation of population genetics parameters and their

associated errors. Methods Ecol Evol. 2013;4:782

–8.

101. R Core Team. R: a language and environment for statistical computing.



Vienna: R Foundation for Statistical Computing; 2018.

102. Venables WN, Ripley BD. Modern applied statistics with S. fourth. New York:

Springer; 2002.

103. Weir BS, Cockerham CC. Estimating F-statistics for the analysis of population

structure. Evolution (N Y). 1984;38:1358

–70.


104. Hedrick PW. A standardized genetic differentiation measure. Evolution (N Y).

2005;59:1633

–8.

105. Oksanen J, Blanchet FG, Friendly M, Kindt R, Legendre P, McGlinn D, et al.



vegan: community ecology package. 2017.

106. Jombart T. Adegenet: a R package for the multivariate analysis of genetic

markers. Bioinformatics. 2008;24:1403

–5.


107. Jombart T, Devillard S, Balloux F. Discriminant analysis of principal

components: a new method for the analysis of genetically structured

populations. BMC Genet. 2010;11:94.

108. Nei M, Kumar S. Molecular evolution and phylogenetics. New York: Oxford

University Press; 2000.

109. Ward JH. Hierarchical grouping to optimize an objective function. J Am Stat

Assoc. 1963;58:236

–44.


Publisher

’s Note


Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in

published maps and institutional affiliations.

Zimmerman

et al. BMC Genomics          (2020) 21:382 



Page 16 of 16


tải về 1.72 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn:
  1   2




Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2024
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương