[論文レビュー] Pleiotropic consequences of adaptation across gradations of environmental stress in budding yeast

Elizabeth R. Jerison, Sergey Kryazhimskiy+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2014

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、バッドイーストにおける変動するストレスレベルへの適応が、環境間でフィットネスのトレードオフや相関をもたらす仕組みを調査し、ストレス条件が類似している場合にはフィットネス効果が強く相関するが、異なる場合には相関がゼロに近づくことを明らかにした。塩分、温度、pH、グルコース欠乏のストレス勾配における実験的進化を用いて、著者らはフィットネス効果の共同分布（JDFE）をフレームワークとして導入し、物理的に類似した環境ではJDFEが強く相関しており非対称的であるのに対し、環境の相違が増すにつれて相関性が低下し、非対称性が増すことを示した。

ABSTRACT

Adaptation to one environment often results in fitness gains and losses in other conditions. To characterize how these consequences of adaptation depend on the physical similarity between environments, we evolved 180 populations of Saccharomyces cerevisiae at different degrees of stress induced by either salt, temperature, pH, or glucose depletion. We measure how the fitness of clones adapted to each environment depends on the intensity of the corresponding type of stress. We find that clones evolved in a given type and intensity of stress tend to gain fitness in other similar intensities of that stress, and lose progressively more fitness in more physically dissimilar environments. These fitness trade-offs are asymmetric: adaptation to permissive conditions incurred a smaller trade-off in stressful conditions than vice versa. We also find that fitnesses of clones are highly correlated across similar intensities of stress, but these correlations decay towards zero in more dissimilar environments. To interpret these results, we introduce the concept of a joint distribution of fitness effects of new mutations in multiple environments (the JDFE), which describes the probability that a given mutation has particular fitness effects in some set of conditions. We find that our observations are consistent with JDFEs that are highly correlated between physically similar environments, and that become less correlated and asymmetric as the environments become more dissimilar. The JDFE provides a framework for quantifying evolutionary similarity between conditions, and forms a useful basis for theoretical work aimed at predicting the outcomes of evolution in fluctuating environments.

研究の動機と目的

• フィットネスのトレードオフや相関が、環境間の物理的類似性にどのように依存するかを理解すること。
• ストレス的または許容的な条件への適応が、他の環境における非対称的なフィットネス結果をもたらすかどうかを調査すること。
• 複数の環境における新規突然変異のフィットネス効果の共同分布（JDFE）を特徴づけ、進化の結果を予測するフレームワークとしての有効性を明らかにすること。
• フィットネス相関が環境の相違度に伴い系統的に減少するかどうか、そしてその減少が対称的か非対称的かを特定すること。
• 観察されたトレードオフが、相反性多効性に起因するのか、それとも環境勾配の類似性に関連したJDFE構造の一般的なパターンに起因するのかを評価すること。

提案手法

• 塩分、温度、pH、グルコース欠乏の4つの環境要因について、9段階のストレス強度で180の相同クローンを用いて実験的進化を実施した。
• 進化したクローンのフィットネスを、すべてのストレス強度で測定し、異なる環境におけるフィットネスの増加と減少を定量した。
• 突然変異が複数の条件下で特定のフィットネス効果をもたらす確率をモデル化するため、フィットネス効果の共同分布（JDFE）を構築した。
• 物理的類似性（例：ストレス強度やタイプ）を根拠に、異なる環境間でのクローンのフィットネスの相関を分析した。
• 統計的モデリングを用いて、観察されたフィットネス相関やトレードオフが、対称的か非対称的なJDFEと整合するかを評価した。
• 変異蓄積と相反性多効性を区別するため、環境間でのフィットネス変化のパターンを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定のストレス強度に適応した株の平均フィットネスは、同じストレスの異なる強度においてどのように変化するか？
• RQ2 環境が物理的により相違するようになるにつれて、2つの環境間でのクローンのフィットネス相関はどのように変化するか？
• RQ3 ストレス的環境と許容的環境の間で観察されたフィットネスのトレードオフは、対称的か？
• RQ4 環境間のフィットネス効果の共同分布（JDFE）は、物理的類似性をどの程度反映しており、環境の相違度に伴いどのように変化するか？
• RQ5 フィットネス増加と減少の観察されたパターンは、類似した環境では正の相関で非歪みのJDFEで説明可能であり、環境が相違するにつれて相関性が低下し非対称性が増すJDFEによって説明可能か？

主な発見

• 特定のストレス強度に適応したクローンは、類似したストレスレベルの他の環境でフィットネスを向上させ、物理的に類似した条件下での正のフィットネス相関を示している。
• 物理的に相違度の高い環境では、フィットネスの損失が段階的に増加し、環境の相違度が増すにつれてトレードオフがより深刻になる。
• フィットネスのトレードオフは非対称的である：許容的環境への適応は、ストレス的環境でのフィットネスコストが小さくなるが、逆は当てはまらない。
• 環境の相違度が増すにつれて、クローン間のフィットネス相関はゼロに近づき、相関が高くなるのは類似したストレス条件下でのみに限られる。
• 類似した環境間ではフィットネス効果の共同分布（JDFE）が強く相関しているが、環境が乖離するにつれて相関性が低下し、非対称性が増す。
• 観察されたパターンは、類似した環境では突然変異が相関するフィットネス効果を持つが、異なる環境ではその相関が崩れるというJDFEフレームワークと整合しており、進化のトレードオフを二値的ではなく、連続的・非対称的と捉える根拠を支持する。