[論文レビュー] A simple rule for the evolution of fast dispersal at the edge of expanding populations

Maxime Déforet, Carlos Carmona‐Fontaine+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Evolution and Genetic Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、繁殖コストがあるにもかかわらず、速やかに拡散する変異体が拡張する集団に侵入する条件を予測する単純な規則 v₂ > v₁ を提案する。実験的にスワーミング細菌を用い、二種類の種の数学的モデルを構築することで、侵入は、在来種の拡張速度よりも侵入種の拡張速度が速い場合にのみ成立することが示された。これは、より不利な条件下でも成り立つ。

ABSTRACT

Evolution by natural selection is commonly perceived as a process that favors those that replicate faster to leave more offspring; nature, however, seem to abound with examples where organisms forgo some replicative potential to disperse faster. When does selection favor invasion of the fastest? Motivated by evolution experiments with swarming bacteria we searched for a simple rule. In experiments, a fast hyperswarmer mutant that pays a reproductive cost to make many copies of its flagellum invades a population of mono-flagellated bacteria by reaching the expanding population edge; a two-species mathematical model explains that invasion of the edge occurs only if the invasive species' expansion rate, v₂, which results from the combination of the species growth rate and its dispersal speed (but not its carrying capacity), exceeds the established species', v₁. The simple rule that we derive, v₂ > v₁, appears to be general: less favorable initial conditions, such as smaller initial sizes and longer distances to the population edge, delay but do not entirely prevent invasion. Despite intricacies of the swarming system, experimental tests agree well with model predictions suggesting that the general theory should apply to other expanding populations with trade-offs between growth and dispersal, including non-native invasive species and cancer metastases.

研究の動機と目的

• 拡張する集団において、自然選択がなぜしばしば高い繁殖率よりも速やかな拡散を好むのかを理解すること。
• 速やかな拡散を達成するために繁殖可能性を犠牲にする生物のパラドックスを解明すること。
• 速やかに拡散する変異体が拡張する集団に侵入するかどうかを予測できる一般化可能な規則を構築すること。
• 複数のフラジアが付くハイパーサワーマー変異体が拡散を向上させるが繁殖コストを負うスワーミング細菌を用いて、規則を実験的に検証すること。

提案手法

• 複数のフラジアを有する速やかに拡散するハイパーサワーマー変異体を導入したスワーミング細菌を用いた進化実験を実施する。
• 時間分解能画像法と縁追跡法を用いて、在来種の拡張速度 v₁ と変異体の拡張速度 v₂ を測定する。
• 成長速度と拡散速度を組み込んだ二種類の種の数学的モデルを構築し、拡張速度を計算する。
• 集団の縁での成功した侵入の閾値として、条件 v₂ > v₁ を導出する。
• 初期集団サイズや縁までの距離を変化させ、より不利な条件下での規則の頑健性をテストする。
• モデルの予測と実験結果を比較し、さまざまな初期条件において規則の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 繁殖能力が低下した速やかに拡散する変異体が、拡張する集団に成功して侵入する条件は何か？
• RQ2 侵入種の拡張速度 v₂ と在来種の拡張速度 v₁ の関係は、侵入成功にどのように影響するか？
• RQ3 初期集団サイズが小さかったり、縁までの距離が長かったりするより不利な条件下でも、規則 v₂ > v₁ は成り立つか？
• RQ4 このモデルは、スワーミング細菌系における実験的結果をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 この規則は、成長と拡散のトレードオフを示す他のシステム、例えば外来種の侵入やがんの転移などに一般化可能か？

主な発見

• 速やかに拡散する変異体による集団縁への侵入は、その拡張速度 v₂ が在来種の v₁ を上回る場合にのみ発生する。
• 実験結果は、初期集団サイズが小さかったり、縁までの距離が長かったりするより不利な条件下でも、モデルの予測と強く一致している。
• 規則 v₂ > v₁ は頑健で一般性があり、環境収容力に依存せず、成長速度と拡散速度の組み合わせにのみ依存する。
• 繁殖コストがあるにもかかわらず、ハイパーサワーマー変異体は、最初に集団の縁に到達することで成功して侵入し、空間的拡張における速やかな拡散の進化的優位性を示している。
• モデルは、さまざまな初期条件においても侵入結果を正確に予測でき、規則の予測力の高さを示している。
• 研究結果は、v₂ > v₁ の規則が、非在来種の侵入やがんの転移を含む、成長と拡散のトレードオフを示す他のシステムにも広く適用可能である可能性を示唆している。