[論文レビュー] Diversity patterns and speciation processes in a two-island system with continuous migration

Débora Princepe, Simone Czarnobai+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2022

Genetic diversity and population structure参考文献 68被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、有限のゲノムを持つ二島モデルにおける連続的移住が種分化および多様性に与える影響を調査し、中程度の移住率が、フライングドライブ種分化とシナパトリック種分化の両方を可能にするため、種多様性を最大化することを明らかにした。主な結果として、小規模なゲノムでは低移住率で種分化が促進されるが、大規模なゲノムでは高移住率でも多様性が維持され、最適な移住強度が種分化様式と種多様性のバランスをとることを示した。

ABSTRACT

Geographic isolation is a central mechanism of speciation, but perfect isolation of populations is rare. Although speciation can be hindered if gene flow is large, intermediate levels of migration can enhance speciation by introducing genetic novelty in the semi-isolated populations or founding small communities of migrants. Here we consider a two island neutral model of speciation with continuous migration and study diversity patterns as a function of the migration probability, population size, and number of genes involved in reproductive isolation (dubbed as genome size). For small genomes, low levels of migration induce speciation on the islands that otherwise would not occur. Diversity, however, drops sharply to a single species inhabiting both islands as the migration probability increases. For large genomes, sympatric speciation occurs even when the islands are strictly isolated. Then species richness per island increases with the probability of migration, but the total number of species decreases as they become cosmopolitan. For each genome size, there is an optimal migration intensity for each population size that maximizes the number of species. We discuss the observed modes of speciation induced by migration and how they increase species richness in the insular system while promoting asymmetry between the islands and hindering endemism.

研究の動機と目的

• 有限のゲノムサイズを持つ二島システムにおける連続的移住が種分化および種多様性に与える影響を理解すること。
• 集団サイズ、ゲノム長、移住強度の相互作用が多様性パターンに与える影響を調査すること。
• 移住が多様化を促進するメカニズム、特にフライングドライブイベントとシナパトリック種分化を特定すること。
• 異なる移住制度下における種分布の非対称性の出現およびエンドエニズムの低下を分析すること。
• 遺伝子流れによってリング状種および世界的広がり種が形成される条件を探索すること。

提案手法

• 非重複世代、連続的移住を伴う確率的で個体ベースの中立モデルを用いる。
• 各個体はB個の二アレルルクス（ゲノムサイズ）からなるバイナリーストリングで表現され、遺伝的類似性と局所的交配に基づく繁殖が行われる。
• 各島に固定された集団サイズMを設定し、1世代あたり確率ϵで移住が発生させ、移住中は集団サイズが変動しうる。
• 時間経過に伴う進化的ダイナミクスをシミュレートし、遺伝的分岐と生殖的隔離を用いて種形成を追跡する。
• 異なる移住率およびゲノムサイズ下での種多様性、エンドエニズム、世界的広がり種、種分布の非対称性を分析する。
• 移住確率、集団サイズ、ゲノムサイズの複数のパラメータ組み合わせをシミュレートし、統計的分析および補足図を用いて結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限のゲノムを持つ二島システムにおいて、移住強度は形成される種の数にどのように影響するか？
• RQ2 ゲノムサイズは、遺伝子流れ下でもシナパトリック種分化を可能にし、多様性を維持するために果たす役割は何か？
• RQ3 フライングドライブイベントとシナパトリック種分化は、異なる移住率下で種分化ダイナミクスにどのように異なる寄与をするか？
• RQ4 なぜ種多様性が中程度の移住レベルでピークに達するのか、その最適化の背後にあるメカニズムは何か？
• RQ5 移住は島間の種分布の非対称性およびエンドエニズムの喪失にどのように影響するか？

主な発見

• 小規模なゲノムでは、低移住率が孤立した島で種分化を誘発するが、移住率の上昇に伴い、両島にわたって1つの世界的広がり種にまで多様性が減少する。
• 大規模なゲノムでは、厳密な隔離下でもシナパトリック種分化が発生し、移住率が上昇するにつれて1島あたりの種多様性が増加するが、世界的広がり種の増加により総種数は減少する。
• 各集団サイズおよびゲノムサイズに対して、総種多様性を最大化する最適な移住強度が存在し、これは種分化様式と遺伝子流れの間のトレードオフを示している。
• 低移住率ではフライングドライブ種分化が支配的となり、非対称な種分布とエンドエニズムの増加が生じるが、中程度の移住率下でのシナパトリック種分化は共有種の増加と総多様性の上昇をもたらす。
• リング状種の形成は主に高移住率および大規模ゲノム下で発生し、これは活動的な遺伝子流れによる集団の接続を示唆するが、一時的で耐久性に欠ける。
• 種多様性は、高移住率下でも大規模ゲノムがある場合にのみ維持され、小規模ゲノムでは遺伝的多様性が不足し、遺伝子流れが強い状況で多様性を維持できない。