[논문 리뷰] The limits of selection under plant domestication

Robin G. Allaby, Dorian Q. Fuller외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 05.

Genetic diversity and population structure참고 문헌 48인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 식물 육성 과정에서 인간에 의한 선택의 유전적 한계를 탐구하기 위해 인구 유전 시뮬레이션을 사용하며, 50~100개의 유전자좌에서의 선택이 선택 부하와 진화 능력 사이의 최적의 균형을 이룹니다. 이는 공선택이 교배식 식물에서 고정 속도를 가속화하지만 자가수분 식물에서는 간섭을 유도하며, 선택적 스위프트가 적응 가능성을 손상시켜 유전체 데이터에서 흔히 관찰되지 않는 이유를 설명합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 식물 육성 과정에서 허용 가능한 선택 부하를 초과하지 않도록 하기 위해 선택을 받을 수 있는 최대 유전자좌 수의 상한선을 조사하기 위해.
• 공선택과 선택 계수 크기의 영향이 교배식 대비 자가수분 식물 시스템에서 고정 속도에 어떻게 작용하는지 조사하기 위해.
• 식물 유전체에서 관찰된 선택적 스위프트의 희귀성은 이러한 스위프트의 진화적 비용으로 설명될 수 있는지 평가하기 위해.
• 육성 맥락에서 인간이 지시하는 선택 하에 유전체 진화의 최적 속도를 규명하기 위해.

제안 방법

• 다양한 수의 유전자좌와 선택 계수(s)에서 선택 부하를 평가하기 위해 인구 유전 모델을 시뮬레이션함.
• 교배식과 자가수분 식물의 생식 체계를 모두 모델링하여 공선택 하에서 고정 동역학을 비교함.
• 다른 선택 제도 하에서 비연결 유전자좌의 고정 빈도를 추적하여 공선택의 영향을 정량화함.
• 선택 부하가 지속 가능해지는 임계점까지 선택 계수를 s = 0.005까지 낮춤.
• 빠른 고정과 새로운 환경에 대한 적응 능력 사이의 상충 관계를 평가함.
• 선택적 스위프트가 장기적인 진화 유연성에 해를 끼치지 않고 발생할 수 있는지 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 식물 육성 과정에서 허용 가능한 선택 부하를 초과하지 않도록 하기 위해 선택을 받을 수 있는 최대 유전자좌 수는 얼마인가요?
• RQ2 공선택은 교배식 대비 자가수분 식물 집단에서 고정 속도에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 왜 유전체 연구에서 선택적 스위프트가 그렇게 흔히 발견되지 않나요?
• RQ4 높은 선택 부하를 유지하는 데 드는 비용이 육성 식물의 진화 능력을 제한하는가요?
• RQ5 빠른 육성과 장기적 적응 가능성 사이의 균형을 이루기 위해 선택을 받는 최적의 유전자좌 수는 얼마인가요?

주요 결과

• 농경 시스템에서 선택을 받는 최대 유전자좌 수는 약 50~100개로 추정되며, 이는 선택 부하와 진화 능력 사이의 최적 균형을 나타냅니다.
• 선택 계수를 낮추면(s ≈ 0.005) 유전자좌 수가 증가할수록 선택 부하가 감소하여 더 많은 유전자좌가 선택을 받을 수 있도록 유도하는 힘을 만듭니다.
• 교배식 체계에서는 공선택이 비연결 유전자좌의 고정 속도를 가속화하여 선택의 효율성을 높입니다.
• 자가수분 체계에서는 공선택이 간섭을 유도하고 고정 빈도를 감소시킵니다만, 전체적으로 인구가 견딜 수 있는 선택 부하 총량에는 영향을 주지 않습니다.
• 선택적 스위프트는 진화적으로 비용이 많이 들며, 인구의 새로운 환경에 대한 적응 능력을 떨어뜨리므로, 이는 유전체 데이터에서의 낮은 검출 빈도를 설명할 수 있습니다.
• 시뮬레이션은 선택적 스위프트의 존재를 배제하지는 않지만, 장기적 적응 가능성의 희생을 통해 발생하므로, 빠른 육성과 진화적 내성 사이의 상충 관계를 시사합니다.