[论文解读] Population subdivision with migration can facilitate evolution on rugged fitness landscapes

Anne‐Florence Bitbol, David J. Schwab|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Evolution and Genetic Dynamics被引用 1

一句话总结

本文表明，将无性繁殖种群划分为通过迁移连接的多个群体（demes），可显著加速在崎岖适应度景观上的适应进程，尤其是在穿越适应度山谷和平台区域时。研究显示，在广泛参数范围内，即使中间表型为有害、中性或弱有益，群体间迁移的集合种群（metapopulation）也能以与最快群体相当的速度穿越这些障碍。

ABSTRACT

We show that subdivision of an asexual population into demes connected by migration significantly accelerates the crossing of fitness valleys and plateaus over a wide parameter range, both with respect to the non-subdivided population and with respect to a single deme. We predict the existence of a parameter range where valley or plateau crossing by the metapopulation is as fast as that of the fastest deme, and we verify this prediction using stochastic simulations. Our results hold not only for deleterious and neutral intermediates, but also for weakly beneficial ones. Finally, we extend our work to the case of a large population connected by migration to one or several smaller islands.

研究动机与目标

• 研究种群划分与迁移如何影响在崎岖适应度景观上的进化动力学。
• 确定集合种群是否能在穿越适应度山谷和平台区域方面超越未划分的种群。
• 识别迁移如何提升无生成物适应速率的参数范围。
• 将研究结果扩展至大型种群与一个或多个小型孤立群体连接的场景。

提出的方法

• 将无性繁殖种群建模为通过迁移连接的多个群体（demes）构成的集合种群。
• 使用随机模拟追踪在具有山谷和平台的适应度景观上进化轨迹的变化。
• 分析不同迁移率和种群结构下有益突变固定的所需时间。
• 比较划分种群与未划分种群及单一群体的适应速率。
• 将模型扩展，包含一个或多个小型孤立群体与大型中心种群相连的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 种群划分与迁移是否能加速无性繁殖种群穿越适应度山谷？
• RQ2 与单一非划分种群相比，群体间的迁移是否能提升在崎岖适应度景观上的适应速率？
• RQ3 是否存在一个参数范围，使得集合种群穿越适应度山谷的速度与最快个体群体相当？
• RQ4 中间表型（有害、中性或弱有益）的特性如何影响划分种群穿越山谷的过程？
• RQ5 将大型种群与一个或多个小型孤立群体连接，对进化动力学有何影响？

主要发现

• 通过迁移实现的种群划分在广泛参数范围内显著加速了适应度山谷和平台的穿越。
• 存在一个参数范围，使得集合种群穿越适应度山谷的速度与最快个体群体相当。
• 该加速效应在中间表型为有害、中性或弱有益时依然成立。
• 随机模拟结果证实了迁移条件下适应速率提升的预测结果。
• 即使大型种群与一个或多个小型孤立群体相连，种群划分的优势依然存在。