[論文レビュー] The limits of selection under plant domestication

Robin G. Allaby, Dorian Q. Fuller+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2014

Genetic diversity and population structure参考文献 48被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、植物の家畜化における人為的選択の遺伝的限界を調査するために、集団遺伝学的シミュレーションを用いた。選択対象が50〜100の遺伝子座である場合が、選択負荷と進化的能力の最適なバランスを示すと示した。共選択は交配系の種において固定化を促進するが、自己受精系では干渉を引き起こし、強力な選択的スイープは適応可能性の観点から費用がかかるため、ゲノムデータにおいてそれらが希少であることを説明できる。

ABSTRACT

Plant domestication involved a process of selection through human agency of a series of traits collectively termed the domestication syndrome. Current debate concerns the pace at which domesticated plants emerged from cultivated wild populations and how many genes were involved. Here we present simulations that test how many genes could have been involved by considering the cost of selection. We demonstrate the selection load that can be endured by populations increases with decreasing selection coefficients and greater numbers of loci down to values of about s = 0.005, causing a driving force that increases the number of loci under selection. As the number of loci under selection increases, an effect of co-selection increases resulting in individual unlinked loci being fixed more rapidly in out-crossing populations, representing a second driving force to increase the number of loci under selection. In inbreeding systems co-selection results in interference and reduced rates of fixation but does not reduce the size of the selection load that can be endured. These driving forces result in an optimum pace of genome evolution in which 50-100 loci are the most that could be under selection in a cultivation regime. Furthermore, the simulations do not preclude the existence of selective sweeps but demonstrate that they come at a cost of the selection load that can be endured and consequently a reduction of the capacity of plants to adapt to new environments, which may contribute to the explanation of why selective sweeps have been so rarely detected in genome studies.

研究の動機と目的

• 植物の家畜化中に選択を受ける遺伝子座の上限が、耐えられる選択負荷を超えない範囲でどこまで達成可能かを調査すること。
• 共選択および選択係数の大きさが、交配系と自己受精系の両方における固定化速度に与える影響を検討すること。
• 植物ゲノムにおいて検出された選択的スイープが希少である理由が、そのスイープに伴う進化的コストによって説明可能かどうかを評価すること。
• 家畜化の文脈において、人為的選択のもとでゲノム進化の最適な進行速度を特定すること。

提案手法

• 選択係数（s）と遺伝子座数を変化させた状況下での選択負荷を評価するため、集団遺伝学的モデルをシミュレートした。
• 交配系と自己受精系の両方の生殖様式をモデル化し、共選択下での固定化ダイナミクスを比較した。
• 異なる選択制度下での非連鎖遺伝子座の固定頻度を追跡し、共選択の影響を定量化した。
• 選択係数をs = 0.005まで低下させ、選択負荷が持続可能になる閾値を評価した。
• 急速な固定化と新しい環境への適応能力のトレードオフを評価した。
• 計算シミュレーションを用いて、選択的スイープが長期的な進化的柔軟性を損なわずに発生する可能性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 植物の家畜化中に選択を受ける遺伝子座の最大数は、耐えられる選択負荷を超えない範囲でどの程度か？
• RQ2 共選択は、交配系と自己受精系の両方における固定化速度にどのように影響するか？
• RQ3 なぜ植物ゲノム研究において選択的スイープがほとんど検出されないのか？
• RQ4 高い選択負荷を維持することのコストが、家畜化植物の進化的能力を制限するのか？
• RQ5 急速な家畜化と長期的適応可能性の両立を図る上で、最適な選択対象遺伝子座数は何か？

主な発見

• 栽培制度下での選択を受ける遺伝子座の最大数は、50〜100と推定され、選択負荷と進化的能力の最適なバランスを示している。
• 選択係数が低くなる（s ≈ 0.005）ほど、遺伝子座数が増加するにつれて選択負荷が低下し、より多くの遺伝子座が選択を受けるようになる動力が生じる。
• 交配系では、共選択が非連鎖遺伝子座の固定化を促進し、選択の効率性が向上する。
• 自己受精系では、共選択が干渉を引き起こし、固定化頻度が低下するが、集団が耐えられる総選択負荷には影響しない。
• 選択的スイープは進化的に費用がかかるため、集団の新しい環境への適応能力が低下する可能性があり、これがゲノムデータにおいてスイープが希少に検出される理由を説明できる。
• シミュレーションは選択的スイープの存在を否定するものではないが、長期的適応性を犠牲にすることで実現されることが示され、急速な家畜化と進化的レジリエンスの間にはトレードオフがあると示唆している。