[논문 리뷰] Modelling the Evolution of Spatially Distributed Populations in the Uniformly Changing Environment - Sympatric Speciation

Wojciech Waga, Marta Zawierta외 1명|ArXiv.org|2009. 11. 04.

Evolution and Genetic Dynamics참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 랜덤 환경 변화 조건 하에서 공간적으로 분포된 연령 구조를 가진 개체군에서 공존적 종분화를 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 모델링한다. 환경 변화에 의해 유전자 功能이 켜지거나 꺼지는 것을 시뮬레이션함으로써, 재조합률 감소와 환경 스트레스로 인한 개체군의 붕괴가 유전적 다양성 증가를 촉진하고, 이로 인해 빠른 공존적 종분화가 발생함을 보여준다 — 특히 개체군 확장 전면에서 두드러진다.

ABSTRACT

We have simulated the evolution of age structured populations whose individuals represented by their diploid genomes were distributed on a square lattice. The environmental conditions on the whole territory changed simultaneously in the same way by switching on or off some requirements. Mutations accumulated in the genes dispensable during a given period of time were neutral, but they could cause a genetic death of individuals if the environment required their functions again. Populations survived due to retaining some surplus of genetic information in the individual genomes. The changes of the environment caused the fluctuations of the population size. Since the simulations were performed with individuals spatially distributed on the lattice and the maximal distance between mating partners was set as a parameter of the model, the inbreeding coefficient in populations changed unevenly, following the fluctuation of population size and enhancing the speciation phenomena.

연구 동기 및 목표

• 환경 변화가 공간적으로 구조화된 개체군에서 공존적 종분화에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 환경 변화 시기 동안 생존에 기여하는 유전적 중복성과 중성 돌연변이 축적의 역할을 검토하는 것.
• 공간 분포와 제한된 짝짓기 범위가 유인율과 유전적 다양성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 재조합률과 개체군 크기의 변동이 종분화 역학에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 중성 환경 기간 동안 유전자 기능 정지와 복귀 요구 시 유전자 재활성화가 초래하는 진화적 결과를 모델링하는 것.

제안 방법

• 공간적으로 제한된 짝짓기(최대 파트너 거리가 매개변수로 설정됨)를 가진 2차원 정사각형 격자상에서 이배체, 연령 구조를 가진 개체군을 시뮬레이션한다.
• 시간에 따라 유전자 功能 요구 조건을 전환함으로써 환경 변화를 구현한다(0 = 필요, 1 = 중성); 확률적 또는 주기적 전환 방식을 사용한다.
• 중성 기간 동안 비핵심 유전자에 발생하는 돌연변이를 추적하며, 환경 요구 조건이 복귀할 경우 이들이 유해해짐을 확인한다.
• 생식, 돌연변이, 생존을 세대에 걸쳐 몬테카를로 시뮬레이션으로 모델링하며, 적합도는 기능적 유전자 조합에 의해 결정된다.
• 유전적 보완 메커니즘을 적용한다: 현재 환경에서 필요로 하는 유전자에 대해 결함이 있는 대립유전자를 지닌 개체는 사망한다.
• 제5세대까지의 계승 추적을 통해 세대 간 개체군 구조, 유인율 계수, 유전적 관련성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변동적인 환경 조건 하에서 지리적 고립 없이 공간적으로 분포된 개체군에서 공존적 종분화가 발생할 수 있는가?
• RQ2 환경 스트레스 하에서 유전적 재조합률이 공존적 종분화의 가능성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 환경 변화로 인한 개체군 붕괴가 유인율과 유전적 다양성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 유전자 비기능 상태가 지속되는 중성 기간이 어떻게 유해 돌연변이 축적을 초래하고, 환경 복귀 시 개체군 붕괴로 이어지는가?
• RQ5 유전적으로 유사한 개체가 공간적으로 군집화될 경우, 변동적인 환경에서 종분화가 얼마나 빨리 가속화되는가?

주요 결과

• 주기적인 환경 변화에 노출된 개체군은 전통적 인구유전학 이론 예측과는 반대로 낮은 재조합률일수록 더 높은 생존율을 보였다.
• 환경 변화는 개체군 크기의 변동을 유도하였으며, 심각한 붕괴는 유인율 증가와 함께 유전적 다양성 증가를 가속화시켰다.
• 생존 개체군은 유전적으로 관련된 개체가 공간적으로 군집을 이루었으며, 이는 별개의 유전적 계통의 출현을 시사한다.
• 제5세대까지의 계승 추적 결과, 군집화된 개체들은 현재 환경 요구 조건과 일치하는 기능적 유전자 조합을 공유하고 있음을 확인하였다.
• 정적 환경보다 주기적 또는 무작위로 변화하는 환경에서 종분화가 크게 가속화되었으며, 특히 낮은 재조합률 조건에서 두드러졌다.
• 시간이 지남에 따라 원래 필요로 했던 환경 기능 중 유지된 비율은 지수적으로 감소하였으며, 2000개의 몬테카를로 단계 동안 2%의 기능만 중성 상태를 유지하였다.