[论文解读] Symbiotic Sympatric Speciation: Compliance with Interaction-driven Phenotype Differentiation from a Single Genotype

Kunihiko Kaneko|ArXiv.org|Mar 18, 2002

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 35被引用 5

一句话总结

本文提出了一种由基因型相同个体间相互作用引发的发育可塑性驱动的同域物种形成机制。通过竞争相互作用，表型因动力学不稳定性而分化为不同群体；随后的突变使这些差异在遗传上固定，通过合子后不育性实现生殖隔离，并伴随交配偏好性的演化，最终实现无需空间分离的完全物种形成。

ABSTRACT

A mechanism of sympatric speciation is presented based on the interaction-induced developmental plasticity of phenotypes. First, phenotypes of individuals with identical genotypes split into a few groups, according to instability in the developmental dynamics that are triggered with the competitive interaction among individuals. Then, through mutational change of genes, the phenotypic differences are fixed to genes, until the groups are completely separated in genes as well as phenotypes. It is also demonstrated that the proposed theory leads to hybrid sterility under sexual recombination, and thus speciation is completed in the sense of reproductive isolation. As a result of this post-mating isolation, the mating preference evolves later. When there are two alleles, the correlation between alleles is formed, to consolidate the speciation. When individuals are located in space, different species are later segregated spatially, implying that the speciation so far regarded to be allopatric may be a result of sympatric speciation. Relationships with previous theories, frequency-dependent selection, reinforcement, Baldwin's effect, phenotypic plasticity, and resource competition are briefly discussed. Relevance of the results to natural evolution are discussed, including punctuated equilibrium, incomplete penetrance in mutants, and the change in flexibility in genotype-phenotype correspondence. Finally, it is discussed how our theory is confirmed both in field and in laboratory (in an experiment with the use of E coli.).

研究动机与目标

• 通过提出一个不依赖于预先存在的隔离机制的自洽机制，解决同域物种形成长期存在的挑战。
• 解释表型分化如何从基因型相同个体中，通过相互作用引发的发育不稳定性而产生。
• 展示表型差异的遗传固定过程以及通过合子后不育性实现的生殖隔离。
• 表明交配偏好性如何作为合子后隔离的后果而演化，从而完成物种形成过程。
• 通过模拟和与大肠杆菌实验的相关性验证模型，将理论与实验生物学联系起来。

提出的方法

• 将个体建模为具有相同基因型，其表型由相互作用驱动的反馈回路所支配的非线性发育动力学所决定。
• 引入竞争相互作用，触发表型发育的不稳定性，导致尽管基因型一致，表型仍分裂为不同群体。
• 通过在基因参数（a^{mℓ}）中引入小的随机突变，影响循环过程的动力学，从而实现表型差异的遗传固定。
• 通过重组模拟有性生殖，后代从父母继承中间基因型，每个位点的等位基因随机重组。
• 将交配偏好性作为遗传特征（ρ^m）引入，通过突变和重组演化，仅在超过表型阈值时才被激活。
• 将模型扩展至包含空间动力学，引入布朗运动和局部交配，表明空间隔离可自然地从该物种形成过程中产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏预先存在的空间或行为隔离的情况下，同域物种形成如何发生？
• RQ2 表型分化能否由于相互作用引发的发育不稳定性，从基因型相同的个体中产生？
• RQ3 在表型差异初始出现后，哪些机制导致其遗传固定？
• RQ4 合子后隔离（如杂种不育）如何促成物种形成过程的完成？
• RQ5 交配偏好性能否作为合子后隔离的后果而演化，而非其原因？

主要发现

• 表型分化自发地从基因型相同的个体中产生，源于竞争相互作用引发的发育动力学不稳定性。
• 突变使最初具有可塑性的表型差异固定为稳定的遗传差异，导致完全的基因分离。
• 合子后隔离，特别是杂种不育性，在模型中自然产生，满足生物物种形成的关键标准。
• 交配偏好性作为合子后隔离的后果而演化，基因座间等位基因的遗传相关性进一步巩固了物种形成过程。
• 在空间模型中，物种的空间隔离自然地从该物种形成过程中产生，表明看似异域的物种形成可能实际上起源于同域物种形成。
• 该模型通过催化反应网络的模拟得到验证，并与大肠杆菌实验具有实验相关性，支持其生物学合理性。