[论文解读] The limits of selection under plant domestication

Robin G. Allaby, Dorian Q. Fuller+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2014

Genetic diversity and population structure参考文献 48被引用 3

一句话总结

本研究通过群体遗传模拟探讨了植物驯化过程中人工选择的遗传极限，表明对50至100个基因座进行选择是在选择负荷与进化潜力之间达到最优平衡的临界点。研究发现，在异交物种中，共选择可加速固定，但在自交系统中则导致干扰；同时，选择清除在适应潜力方面代价高昂，这解释了其在基因组数据中罕见的原因。

ABSTRACT

Plant domestication involved a process of selection through human agency of a series of traits collectively termed the domestication syndrome. Current debate concerns the pace at which domesticated plants emerged from cultivated wild populations and how many genes were involved. Here we present simulations that test how many genes could have been involved by considering the cost of selection. We demonstrate the selection load that can be endured by populations increases with decreasing selection coefficients and greater numbers of loci down to values of about s = 0.005, causing a driving force that increases the number of loci under selection. As the number of loci under selection increases, an effect of co-selection increases resulting in individual unlinked loci being fixed more rapidly in out-crossing populations, representing a second driving force to increase the number of loci under selection. In inbreeding systems co-selection results in interference and reduced rates of fixation but does not reduce the size of the selection load that can be endured. These driving forces result in an optimum pace of genome evolution in which 50-100 loci are the most that could be under selection in a cultivation regime. Furthermore, the simulations do not preclude the existence of selective sweeps but demonstrate that they come at a cost of the selection load that can be endured and consequently a reduction of the capacity of plants to adapt to new environments, which may contribute to the explanation of why selective sweeps have been so rarely detected in genome studies.

研究动机与目标

• 探究在植物驯化过程中，选择负荷不超过可接受阈值时，可能受到选择的基因座数量上限。
• 考察共选择及选择系数大小如何影响异交与自交植物系统中固定速率的差异。
• 评估在植物基因组中检测到的选择清除为何如此稀少，是否可由此类清除的进化代价解释。
• 确定在驯化背景下，人类定向选择下基因组进化的最优速率。

提出的方法

• 通过模拟群体遗传模型，评估在不同基因座数量和选择系数（s）下的选择负荷。
• 模拟异交与自交繁殖系统，比较共选择下的固定动力学。
• 在不同选择制度下追踪未连锁基因座的固定速率，以量化共选择的影响。
• 将选择系数降低至s = 0.005，以评估选择负荷变得可持续的临界点。
• 评估快速固定与适应新环境能力之间的权衡。
• 使用计算模拟检验选择清除是否可在不损害长期进化灵活性的前提下发生。

实验结果

研究问题

• RQ1 在植物驯化过程中，选择负荷不超过可接受阈值时，可能受到选择的基因座最大数量是多少？
• RQ2 共选择如何影响异交与自交植物种群中固定速率的差异？
• RQ3 为何在驯化植物的基因组研究中，选择清除如此罕见？
• RQ4 维持高选择负荷的代价是否会限制驯化植物的进化能力？
• RQ5 在快速驯化与长期适应性之间取得平衡时，最优的选择基因座数量是多少？

主要发现

• 在栽培制度中，受到选择的基因座最大数量估计在50至100之间，这代表了选择负荷与进化潜力之间的最优平衡。
• 选择系数越低（s ≈ 0.005），且基因座数量越多，选择负荷越低，这为选择更多基因座提供了驱动力。
• 在异交系统中，共选择可加速未连锁基因座的固定，提高选择效率。
• 在自交系统中，共选择导致干扰并降低固定速率，但不会减少种群可承受的总选择负荷。
• 选择清除在进化上代价高昂，会降低种群适应新环境的能力，这或可解释其在基因组数据中检测频率低的原因。
• 模拟结果并未排除选择清除的存在，但表明其以牺牲长期适应性为代价，提示快速驯化与进化韧性之间存在权衡。