[논문 리뷰] A simple rule for the evolution of fast dispersal at the edge of expanding populations

Maxime Déforet, Carlos Carmona‐Fontaine외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 21.

Evolution and Genetic Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 번식 비용이 있는 빠르게 확산되는 돌연변이가 확장 중인 집단에 침입할 수 있는 조건을 예측하는 단순한 규칙 v₂ > v₁을 제안한다. 스워밍 박테리아 실험과 이종 수학 모델을 통해, 침입 성공 여부가 주로 거주 종의 확장 속도보다 침입 종의 확장 속도가 빠를 경우에만 성립함을 보여주며, 이는 덜 유리한 조건에서도 성립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 확장 중인 집단에서 자연 선택이 높은 번식률보다 빠른 확산을 선호하는 이유를 이해하기 위해.
• 빠른 확산을 위해 번식 잠재력의 희생을 감수하는 생물의 역설을 해결하기 위해.
• 빠르게 확산되는 돌연변이가 확장 중인 집단에 침입할 수 있는지를 예측할 수 있는 일반화 가능한 규칙을 개발하기 위해.
• 다수의 플라그엘라를 지닌 초스워머 돌연변이가 번식 비용을 지불하면서도 확산 속도가 빨라지는 스워밍 박테리아를 이용해 실험적으로 규칙을 검증하기 위해.

제안 방법

• 빠르게 확산되는 초스워머 돌연변이를 지닌 스워밍 박테리아를 이용한 진화 실험을 수행한다.
• 시간에 따른 영상 촬영과 가장자리 추적을 통해 거주 종의 확장 속도 v₁과 돌연변이 종의 확장 속도 v₂를 측정한다.
• 성장 속도와 확산 속도를 포함하는 이종 수학 모델을 구축하여 확장 속도를 계산한다.
• 모집단 가장자리에서의 성공적 침입 조건으로서 v₂ > v₁ 조건을 유도한다.
• 모집단 크기와 가장자리까지의 거리 등을 변화시켜 덜 유리한 조건에서 규칙의 강건성을 시험한다.
• 모델 예측값과 실험 결과를 비교하여 다양한 초기 조건에서 규칙의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠른 확산 속도를 지닌 돌연변이가 번식 능력이 떨어지는 조건에서 확장 중인 집단에 성공적으로 침입하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 침입 종의 확장 속도 v₂가 거주 종의 v₁에 비해 얼마나 빨라야 침입 성공이 보장되는가?
• RQ3 작은 초기 모집단 크기나 가장자리까지의 거리가 긴 덜 유리한 초기 조건에서도 v₂ > v₁ 규칙이 성립하는가?
• RQ4 이 모델은 스워밍 박테리아 시스템에서 실험 결과를 얼마나 잘 예측할 수 있는가?
• RQ5 이 규칙은 외래 침입종이나 암 전이와 같은 성장과 확산 간의 상충 관계가 있는 다른 시스템으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 빠르게 확산되는 돌연변이가 모집단 가장자리에 침입하는 것은 그 확장 속도 v₂가 거주 종의 v₁를 초과할 때에만 발생한다.
• 실험 결과는 작은 모집단 크기나 가장자리까지의 거리가 긴 덜 유리한 초기 조건에서도 모델 예측과 강한 일치를 보였다.
• v₂ > v₁ 규칙는 치환 능력에 관계없이 강건하고 일반적이며, 성장 속도와 확산 속도의 조합에만 의존한다.
• 번식 비용이 있음에도 불구하고 초스워머 돌연변이는 가장자리에 먼저 도달함으로써 성공적으로 침입하여, 공간적 확장에서 빠른 확산의 진화적 이점이 있음을 입증한다.
• 모델은 다양한 초기 조건에서 침입 결과를 정확히 예측하여 이 규칙의 예측 능력을 입증한다.
• 이러한 발견은 v₂ > v₁ 규칙이 외래 침입과 암 전이를 포함한 성장과 확산 간의 상충 관계가 있는 다른 시스템으로도 광범위하게 적용 가능할 수 있음을 시사한다.