[论文解读] A simple rule for the evolution of fast dispersal at the edge of expanding populations

Maxime Déforet, Carlos Carmona‐Fontaine+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Evolution and Genetic Dynamics被引用 4

一句话总结

本文提出一个简单规则——v₂ > v₁——可预测在存在繁殖成本的情况下，快速扩散突变体何时能入侵扩张种群。通过使用蠕动细菌的实验和双物种数学模型，研究发现，入侵仅取决于入侵物种的扩张速率超过本地物种的扩张速率，即使在不利条件下也是如此。

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.

研究动机与目标

• 理解自然选择为何在某些情况下偏好快速扩散而非高繁殖率，出现在扩张种群中。
• 解决生物为实现更快扩散而牺牲繁殖潜力的悖论。
• 建立一个可推广的规则，以预测快速扩散突变体何时能入侵扩张种群。
• 通过引入具有多个鞭毛、因增加扩散能力而付出繁殖成本的超蠕变突变体，利用蠕动细菌进行实验验证该规则。

提出的方法

• 开展蠕动细菌的进化实验，引入具有快速扩散能力的超蠕变突变体（具多个鞭毛）。
• 使用延时成像和边缘追踪技术测量种群扩张速率（v₁ 为本地种，v₂ 为突变体）。
• 构建一个包含生长速率和扩散速度的双物种数学模型，以计算扩张速率。
• 推导出 v₂ > v₁ 作为种群边缘成功入侵的临界条件。
• 改变初始种群大小和到边缘的距离，测试该规则在不利条件下的稳健性。
• 将模型预测与实验结果进行比较，以验证该规则在不同起始条件下的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，具有较低繁殖能力的快速扩散突变体能够成功入侵扩张种群？
• RQ2 入侵物种的扩张速率 v₂ 与本地物种的 v₁ 相比，如何决定入侵成功？
• RQ3 在较小初始种群大小或更长到边缘距离等不利初始条件下，v₂ > v₁ 规则是否仍然成立？
• RQ4 该模型在多大程度上能准确预测蠕动细菌系统中的实验结果？
• RQ5 该规则能否推广到其他存在生长与扩散权衡的系统，如入侵物种或癌症转移？

主要发现

• 只有当快速扩散突变体的扩张速率 v₂ 超过本地物种的 v₁ 时，其才能成功入侵种群边缘。
• 实验结果与模型预测高度一致，即使在初始条件不利（如种群规模较小或距离边缘较远）时也是如此。
• v₂ > v₁ 规则具有稳健性和普适性，与环境容纳量无关，仅取决于生长速率与扩散速度的组合。
• 尽管存在繁殖成本，超蠕变突变体仍能通过率先抵达种群边缘而成功入侵，证明了快速扩散在空间扩张中的进化优势。
• 该模型能准确预测不同初始条件下的入侵结果，表明该规则具有强大的预测能力。
• 研究结果表明，v₂ > v₁ 规则可广泛适用于其他存在生长与扩散权衡的系统，包括非本地入侵和癌症转移。