[논문 리뷰] Diversity patterns and speciation processes in a two-island system with continuous migration

Débora Princepe, Simone Czarnobai외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 23.

Genetic diversity and population structure참고 문헌 68인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 유한한 게놈을 가진 이중 섬 모델에서 연속적인 이주가 종 분화와 다양성에 미치는 영향을 조사하며, 중간 수준의 이주율이 기초적 분화와 협생 분화를 모두 가능하게 하여 종 다양성을 최대화함을 밝혀낸다. 주요 결과로는, 작은 게놈은 낮은 이주에서 분화를 유리하게 하지만, 큰 게놈은 높은 이주에서도 다양성을 유지하며, 최적의 이주 강도가 분화 방식과 종 다양성 간의 균형을 이룹니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유한한 게놈 크기를 가진 이중 섬 시스템에서 연속적인 이주가 종 분화와 종 다양성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 인구 크기, 게놈 길이, 이주 강도 간의 상호작용이 다양성 패턴을 어떻게 형성하는지 조사하는 것.
• 이주가 다각화를 촉진하는 메커니즘—특히 기초적 사건과 협생 분화—을 특정하는 것.
• 다양한 이주 제도 하에서 종 분포의 비대칭성과 고유종 상실 현상의 발생 원인을 분석하는 것.
• 유전자 흐름으로 인해 고리형 종과 전 세계적 종이 형성되는 조건을 탐색하는 것.

제안 방법

• 교란이 없는 세대 간 중첩이 없는 스토케스틱, 개체 기반, 중립 모델을 사용하며, 두 동일한 섬 간에 연속적인 이주가 발생한다.
• 각 개체는 B개의 이등위성 락우스로 구성된 이진 문자열(게놈 크기)로 표현되며, 유전적 유사성과 지역적 짝짓기 기반으로 번식이 이루어진다.
• 각 섬에 고정된 인구 크기 M을 유지하며, 유전적 이주 확률이 매 세대 ϵ일 때, 이주 과정에서 인구 크기가 변동할 수 있도록 한다.
• 시간에 따라 진화적 역학을 시뮬레이션하며, 유전적 분화와 생식적 고립을 통해 종 형성 과정을 추적한다.
• 다양한 이주율과 게놈 크기에서 종 다양성, 고유종, 전 세계적 종, 종 분포의 비대칭성 등을 분석한다.
• 이주 확률, 인구 크기, 게놈 크기 등의 다양한 조합을 기반으로 시뮬레이션을 수행하며, 통계 분석과 보조 그림을 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이주 강도가 유한한 게놈을 가진 이중 섬 시스템에서 형성되는 종 수에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 게놈 크기가 유전자 흐름 하에서 협생 분화를 가능하게 하고 다양성을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 기초적 사건과 협생 분화가 다양한 이주율 하에서 종 분화 역학에 어떻게 다르게 기여하는가?
• RQ4 왜 종 다양성이 중간 수준의 이주에서 최고조에 이르며, 이러한 최적화를 이끄는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 이주가 섬 간 종 분포의 비대칭성과 고유종 상실에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 작은 게놈에서는 낮은 이주율이 고립된 섬에서 분화를 유도하지만, 이주율 증가로 인해 두 섬에 걸쳐 단일한 전 세계적 종으로 다양성이 감소한다.
• 큰 게놈에서는 엄격한 고립 조건에서도 협생 분화가 발생하며, 이주율 증가에 따라 각 섬의 종 다양성이 증가하지만, 전 세계적 종의 출현으로 총 종 수는 감소한다.
• 각 인구 크기와 게놈 크기에 대해 총 종 다양성을 최대화하는 최적의 이주 강도가 존재하며, 이는 분화 방식과 유전자 흐름 사이의 상충관계를 시사한다.
• 낮은 이주에서는 기초적 분화가 지배적이며, 이로 인해 종 분포가 비대칭이 되고 고유종 비율이 증가하지만, 중간 수준의 이주에서 협생 분화가 공통 종 수와 총 다양성을 증가시킨다.
• 고리형 종의 형성은 주로 높은 이주율과 큰 게놈에서 발생하며, 이는 활발한 유전자 흐름이 개체군을 연결함을 시사하지만, 이러한 형성은 일시적이며 내구성이 떨어진다.
• 높은 이주에서도 종 다양성이 유지되려면 큰 게놈이 필요하며, 작은 게놈은 높은 유전자 흐름 상황에서 유전적 다양성이 부족하여 다양성을 유지할 수 없다.