[논문 리뷰] Linking evolutionary and ecological theory illuminates non-equilibrium biodiversity

Andrew J. Rominger, Isaac Overcast외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 12.

Genetic diversity and population structure참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다음세대 시퀀싱 데이터로부터의 인구유전적 추론와 매크로생태학적 패턴을 통합하여 비균형 다형성 역학을 이해하기 위해 생태학적 이론과 진화 이론을 융합한 방법을 제안한다. 가능도 기반 검정과 공동 유전자-조직 모델링을 통해, 계통 연령과 번성 간의 음의 상관관계를 통해 비균형 상태를 식별함으로써, 균형 모델이 놓치는 바를 보완하여 생태학적 및 진화적 과정이 다형성 변화를 이끄는 방식을 밝혀낸다.

ABSTRACT

Whether or not biodiversity dynamics tend toward stable equilibria remains an unsolved question in ecology and evolution with important implications for our understanding of diversity and its conservation. Phylo/population genetic models and macroecological theory represent two primary lenses through which we view biodiversity. While phylo/population genetics provide an averaged view of changes in demography and diversity over timescales of generations to geological epochs, macroecology provides an ahistorical description of commonness and rarity across contemporary co-occurring species. Our goal is to combine these two approaches to gain novel insights into the non-equilibrium nature of biodiversity. We help guide near future research with a call for bioinformatic advances and an outline of quantitative predictions made possible by our approach.

연구 동기 및 목표

• 인간 활동 압력 하에서 비균형 역학이 다형성에 어떻게 작용하는지 이해 부족을 해결하기 위해.
• 역사적 역학과 기계적 원인을 가려내지 못하는 균형 기반 생태학적 및 진화 이론의 한계를 극복하기 위해.
• 매크로생태학적 패턴과 인구유전적 추론을 융합하여 비균형 과정을 테스트할 수 있는 프레임워크를 개발하기 위해.
• 유전자 서열, 예를 들어 인구 확장과 계통 연령-번성 관계를 통해 비균형 상태를 탐지할 수 있도록 하기 위해.
• 다음세대 시퀀싱 데이터에 기반한 이론 기반 예측과 생정보학적 발전을 통해 향후 연구를 이끌기 위해.

제안 방법

• 이테인의 정확한 검정에서 유도된 확장된 z-스코어를 포함한 가능도 기반 검정 통계량을 사용하여 이론적 모델과 관측된 종의 번성 분포 간의 적합도를 평가한다.
• 중립 이론 및 다형성의 통계적 이론을 근본 가설 모델로 사용하여, 인구의 드리프트 또는 통계적 균형을 가정하고, 이를 실측 데이터와 비교한다.
• 인구유전자 모델과 공동체 조립 이론을 융합하여 공동 유전자-조직 모델링 프레임워크를 통해 비균형 역학을 탐지한다.
• 다음세대 시퀀싱(NGS) 데이터를 활용하여 전장 유전체적 신호인 인구 확장, 선택, 분화 속도를 추출한다.
• 계통 연령과 번성 간의 상관관계를 분석하여 비균형 상태를 테스트한다. 비균형 조건에서는 음의 상관관계를 기대한다.
• 모델 선택에서 인구 확장 모델이 정적 모델보다 유리하다면, 이는 비균형 생태학적 및 진화적 역학을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생태학적 및 진화적 이론를 어떻게 융합하여 다형성에서 비균형 역학을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 어떤 유전자 및 인구학적 서열이 공동체가 생태학적 또는 진화적 균형에 있지 않음을 나타내는가?
• RQ3 빠른 종 분화나 스위프트스테이크 이민과 같은 비균형 과정이 인구유전자 데이터에 어떻게 감지 가능한 신호를 남기는가?
• RQ4 기존의 균형 기반 모델에 비해 공동 유전자-조직 모델링이 비균형 공동체 역학 탐지에 얼마나 향상되는가?
• RQ5 진화적 회복과 역사적 과정이 현대 다형성 패턴에서 비균형 신호를 어떻게 가려내는가?

주요 결과

• 비균형 생태 공동체는 비균형 진화를 촉진하여 계통 연령과 번성 간에 음의 상관관계를 초래하며, 이는 유전자 데이터로 감지할 수 있다.
• 비균형 공동체에서는 인구 확장 모델이 정적 모델보다 유리하게 선택되어, 동적 조립 과정을 시사한다.
• 종 분화와 스위프트스테이크 이민은 비균형 조건 하에서 유사한 인구유전자 신호(예: 빠른 인구 확장)를 생성하므로, 공동 모델링 없이 추론하기는 어렵다.
• 빠르게 새로운 생태 전략을 생성하는 진화 과정은 생태계를 균형에서 벗어나게 하며, 이는 유전체 데이터에서 강한 선택과 빠른 분화의 감지 가능한 신호를 초래한다.
• 진화적 인구학적 균형 상태는 과거의 비균형 단계를 잊어버리는 시스템이지만, 이는 화석 기록 데이터가 있어야만 감지 가능하므로, 현재 분자적 접근법의 핵심 한계를 드러낸다.
• 고속 시퀀싱, 고도의 생정보학, 이론적 모델링의 통합은 비균형 역학의 강력한 감지를 가능하게 하며, 보존 및 다형성 과학의 향후 길을 제시한다.