古環境モデルと遺伝データを活用して、種内遺伝的構造を予測する

Harnessing paleo-environmental modeling and genetic data to predict intraspecific genetic structure.

• Glenn Yannic
• Oskar Hagen
• Flurin Leugger
• Dirk N Karger
• Loïc Pellissier

抄録

複雑な地形における遺伝子の流れを空間的に明示的にシミュレーションすることで、地球規模の変化や人類学的な変化に対する個体群の応答を予測することができる。過去の気候変動がどのように種内遺伝的変動を形成したかをシミュレーションすることで、将来の変化を予測するためのモデルの検証が可能となる。本研究では、個体群の遺伝的構造に関する推論を提供するシミュレーションモデルをレビューする。既存のシミュレーションモデルは、一般的に複雑な人口動態と遺伝的プロセスを統合しているが、景観動態にはあまり焦点を当てていない。これまでのアプローチでは、詳細な人口統計学的・遺伝学的プロセスと二次的な景観動態のみを統合していたのに対し、本研究では、複雑な景観にも適用可能な、生息地適性と細胞過程を組み合わせた簡便な生物学的メカニズムに基づいたモデルを提案する。シミュレーションモデルは、(a)主要な生物学的パラメータとしての種の飛散能力、(b)種の生息環境の適合性、(c)飛散を調節する景観構造を入力としている。我々のモデルは、種内の個体群間の遺伝的分化を生み出す上で、景観の特徴とその時間的ダイナミクスの役割を強調している。我々は、北半球の全分布範囲で採取したカリブー／リンドウ／リンドウの個体群を対象に、我々のモデルを説明する。過去21年のシミュレーションでは、経験データと一致する個体群の遺伝的構造が予測されることを示した。このように、過去の景観動態が種内構造に与える影響を調べるこのアプローチは、気候変動シナリオ下での個体群構造の予測や、種の範囲の変化が種内の遺伝的変異をどのように侵食するかを評価するために用いることができる。

Spatially explicit simulations of gene flow within complex landscapes could help forecast the responses of populations to global and anthropological changes. Simulating how past climate change shaped intraspecific genetic variation can provide a validation of models in anticipation of their use to predict future changes. We review simulation models that provide inferences on population genetic structure. Existing simulation models generally integrate complex demographic and genetic processes but are less focused on the landscape dynamics. In contrast to previous approaches integrating detailed demographic and genetic processes and only secondarily landscape dynamics, we present a model based on parsimonious biological mechanisms combining habitat suitability and cellular processes, applicable to complex landscapes. The simulation model takes as input (a) the species dispersal capacities as the main biological parameter, (b) the species habitat suitability, and (c) the landscape structure, modulating dispersal. Our model emphasizes the role of landscape features and their temporal dynamics in generating genetic differentiation among populations within species. We illustrate our model on caribou/reindeer populations sampled across the entire species distribution range in the Northern Hemisphere. We show that simulations over the past 21 kyr predict a population genetic structure that matches empirical data. This approach looking at the impact of historical landscape dynamics on intraspecific structure can be used to forecast population structure under climate change scenarios and evaluate how species range shifts might induce erosion of genetic variation within species.

© 2020 The Authors. Evolutionary Applications published by John Wiley & Sons Ltd.