[论文解读] Diversity patterns and speciation processes in a two-island system with continuous migration

Débora Princepe, Simone Czarnobai+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2022

Genetic diversity and population structure参考文献 68被引用 15

一句话总结

本研究探讨了在具有有限基因组的双岛模型中，连续迁移如何影响物种形成与多样性，发现中等迁移率通过促进奠基者驱动的物种形成和同域物种形成，使物种种群丰富度达到最大。关键结果表明，小基因组在低迁移率下有利于物种形成，而大基因组在高迁移率下能维持多样性，最优迁移强度可平衡不同物种形成模式与物种种群丰富度。

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.

研究动机与目标

• 理解在有限基因组大小的双岛系统中，连续迁移如何影响物种形成与物种种群丰富度。
• 探究种群大小、基因组长度与迁移强度之间在塑造多样性格局方面的相互作用。
• 识别迁移促进多样化的主要机制，特别是奠基事件与同域物种形成的作用。
• 分析物种分布不对称性及在不同迁移制度下特有种减少的成因。
• 探讨由于基因流而形成环状物种与广布物种的条件。

提出的方法

• 采用具有非重叠世代的随机、基于个体的中性模型，两岛间持续迁移。
• 每个个体由长度为B的双等位基因位点二进制字符串表示（即基因组大小），繁殖基于遗传相似性与局部交配。
• 每岛固定种群大小为M，每代迁移概率为ϵ，允许迁移期间种群大小波动。
• 模拟随时间演化的动态过程，通过遗传分化与生殖隔离追踪物种种群形成。
• 在不同迁移率与基因组大小下，分析物种种群丰富度、特有种、广布种及物种分布不对称性。
• 在多种参数组合（迁移概率、种群大小、基因组大小）下进行模拟，并通过统计分析与补充图示验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有有限基因组的双岛系统中，迁移强度如何影响形成的物种种群数量？
• RQ2 基因组大小在基因流条件下如何促进同域物种形成并维持多样性？
• RQ3 在不同迁移率下，奠基事件与同域物种形成对物种形成动态的贡献有何差异？
• RQ4 为何物种种群丰富度在中等迁移水平达到峰值？其背后的机制是什么？
• RQ5 迁移如何影响两岛间物种分布的不对称性及特有种的丧失？

主要发现

• 对于小基因组，低迁移率可诱导隔离岛屿上的物种形成，但迁移率增加会将多样性减少至两岛均为单一广布物种。
• 对于大基因组，即使在严格隔离下也可发生同域物种形成，且每岛物种种群丰富度随迁移率上升而增加，但总物种种群数因广布种出现而减少。
• 对每个种群大小与基因组大小，均存在一个最优迁移强度，可使总物种种群丰富度最大化，表明物种形成模式与基因流之间存在权衡。
• 低迁移率下以奠基者驱动的物种形成为主导，导致物种分布不对称与特有种增加；中等迁移率下同域物种形成则提升共享物种种群与总丰富度。
• 环状物种主要在高迁移率与大基因组条件下形成，表明活跃的基因流连接了种群，但此类结构具有暂时性且稳定性较低。
• 仅在大基因组条件下，高迁移率才能维持物种种群丰富度，因小基因组在高基因流下缺乏足够遗传变异以维持多样性。