[论文解读] Pleiotropic consequences of adaptation across gradations of environmental stress in budding yeast

Elizabeth R. Jerison, Sergey Kryazhimskiy+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2014

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 16被引用 4

一句话总结

本研究探讨了酿酒酵母在不同应激水平下适应过程中，跨环境的适应度权衡或相关性，发现适应度效应在相似应激条件下高度相关，而在不相似条件下则衰减至零。通过在盐度、温度、pH 和葡萄糖缺乏的梯度上进行实验进化，作者引入了适应度效应联合分布（JDFE）作为框架，表明在物理上相似的环境中，JDFE表现出强烈的相关性和非对称性，而随着环境差异增大，相关性减弱，非对称性增强。

ABSTRACT

Adaptation to one environment often results in fitness gains and losses in other conditions. To characterize how these consequences of adaptation depend on the physical similarity between environments, we evolved 180 populations of Saccharomyces cerevisiae at different degrees of stress induced by either salt, temperature, pH, or glucose depletion. We measure how the fitness of clones adapted to each environment depends on the intensity of the corresponding type of stress. We find that clones evolved in a given type and intensity of stress tend to gain fitness in other similar intensities of that stress, and lose progressively more fitness in more physically dissimilar environments. These fitness trade-offs are asymmetric: adaptation to permissive conditions incurred a smaller trade-off in stressful conditions than vice versa. We also find that fitnesses of clones are highly correlated across similar intensities of stress, but these correlations decay towards zero in more dissimilar environments. To interpret these results, we introduce the concept of a joint distribution of fitness effects of new mutations in multiple environments (the JDFE), which describes the probability that a given mutation has particular fitness effects in some set of conditions. We find that our observations are consistent with JDFEs that are highly correlated between physically similar environments, and that become less correlated and asymmetric as the environments become more dissimilar. The JDFE provides a framework for quantifying evolutionary similarity between conditions, and forms a useful basis for theoretical work aimed at predicting the outcomes of evolution in fluctuating environments.

研究动机与目标

• 理解适应度权衡与相关性如何依赖于环境之间的物理相似性。
• 探究适应应激或宽松条件是否导致其他环境中出现非对称的适应度后果。
• 将多个环境中新突变的适应度效应联合分布（JDFE）表征为预测进化结果的框架。
• 确定适应度相关性是否随环境差异系统性衰减，以及这种衰减是否对称或非对称。
• 评估观察到的权衡是否源于拮抗多效性，或更广泛地源于JDFE结构中的模式，特别是与环境梯度相似性的关系。

提出的方法

• 在四种环境变量（盐度、温度、pH 和葡萄糖耗竭）的九个应激水平下，对180个重复酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）种群进行进化。
• 测量进化克隆在所有应激水平下的适应度，以量化不同环境中适应度的增益与损失。
• 构建适应度效应的联合分布（JDFE），以建模突变在多种条件下赋予特定适应度效应的概率。
• 分析不同环境中克隆适应度之间的相关性，作为其物理相似性（如应激强度和类型）的函数。
• 使用统计建模评估观察到的适应度相关性和权衡是否与对称或非对称的JDFE一致。
• 比较不同环境中适应度变化的模式，以区分突变累积与拮抗多效性作为潜在机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在特定应激水平下适应的菌株，其平均适应度在相同应激的不同强度下如何变化？
• RQ2 随着环境在物理上变得越来越不相似，两个环境中克隆之间的适应度相关性如何变化？
• RQ3 适应后观察到的适应度权衡在应激与宽松环境之间是否对称？
• RQ4 环境之间适应度效应联合分布（JDFE）在多大程度上反映物理相似性？它们如何随环境差异而变化？
• RQ5 观察到的适应度增益与损失模式是否可由一个在相似环境中高度相关且无偏斜的JDFE来解释，而在不相似环境中则变得相关性降低且非对称？

主要发现

• 在特定应激强度下适应的克隆在其他应激水平相似的环境中表现出适应度增益，表明在物理相似条件下存在正向适应度相关性。
• 在物理上更不相似的环境中，适应度损失逐步增加，随着环境差异增大，权衡变得更加严重。
• 适应度权衡是非对称的：适应宽松条件在应激环境中造成的适应度损失，小于相反方向的损失。
• 随着环境差异增大，克隆间的适应度相关性衰减至零，仅在相似应激条件下保持较高相关性。
• 相似环境之间的适应度效应联合分布（JDFE）高度相关，但随着环境差异增大，其相关性逐渐减弱且呈现非对称性。
• 观察到的模式与JDFE框架一致：在相似环境中，突变具有相关适应度效应，但在不相似环境中这些相关性会瓦解，支持了进化权衡的非二元观点。