進化の過程における遺伝的多様性と新規性の役割の解明
The role of standing variation versus new variation in the evolutionary response
ミシガン州立大学
派遣期間
研究機関

研究指導者

井筒 弥那子2017 年 3 月 31 日～2018 年 3 月 31 日
Department of Microbiology and Molecular Genetics,Michigan State University
East Lansing, MI, 48824 United States
Prof. Richard E. Lenski

Although in recent years it has been widely assumed that biodiversity and environmental adaptation are connected,
it is still unclear how important the role of biodiversity is in evolution. In this research project, I plan to approach thisissue by letting organisms evolve in the laboratory, a strategy called “experimental evolution”. To develop an efficientexperimental plan, here I examine the optimal population sizes for experimental evolution studies. I changed thepopulation sizes using different dilution regimes and tracked the divergence of allele frequency during the course ofevolution. I calculated the fitness of the evolved lines and compared the fitness between populations evolved withdifferent dilution regimes. We predicted that the higher fitness would be gained by the populations with 8-fold dilution
regimes in terms of the tradeoff between loss of genetic variations by population bottleneck and gain of variations by
new generations. However, the actual fitness values appeared to contradict our prediction. To this end, I provide theexperimental evidences and insight into the effect of population bottlenecks, and the optimal design of a long-term
experimental evolution to understand the role of standing variation and new variation in the adaptive evolution.

研究目的

研究経過

進化した変異が選択が始まる前から集団内に存在進化のダイナミクスを理解するうえで集団のサイした変異（standing variation）であるのか選択が始まズ（集団内の個体数）は非常に重要な要素である。ってから生じた新たな変異（new variation）であるの

特に本研究課題では、新しい環境に既に適応的なかを特定することは進化の初期やその後のプロセス

standing variation を維持するのに十分な集団サイズを理解するうえで非常に重要な課題である[1,2]。しであること、適応するための new variation を獲得す

かし、自然界で進化した生物に関して、その適応的るのに十分な集団サイズであること、が求められる。

変異が standing variation であったのか new variation

そのため、standing variation と new variation の直接比であったのかを特定するのは困難である。そこで、較を行う前に、予備実験として集団サイズが適応進

本研究では生物を実験室内の特定の環境で飼育し進化に与える影響を調べる進化実験を行った。実験は化させる実験進化を用いてこの課題にアプローチすLenski 研で 30 年間継続して行われている long-term

る[3]。特に、アメリカ・ミシガン州立大学の Dr.Lenski

experimental evolution（LTEE）の手法を基盤とし、大のグループが確立した大腸菌を用いた長期実験進化

腸菌を継代する際の希釈率を変化させることで集団システムを利用して[4-5]、2 つの由来の異なる変異サイズと 1 日当たりに大腸菌が分裂する回数（世代の適応進化における役割を実験科学的に証明するこ数）をコントロールし、希釈率の違いが最終的な適とを目的とした。

応度上昇に与える影響を調べた。また、進化をリアルタイムで追跡するために Ara-と Ara+という異なる遺伝子マーカーを持つ大腸菌を混ぜた状態で進化を行ったところ、希釈倍率に加えて、スタートの系実験をスタートし、3 日毎にマーカーを検知できる統も最終的な適応度に影響している事が示唆された。

プレートに進化途中の集団を撒いて、マーカーの割ゲノムシーケンスをするまでは実際に 12 の系統そ合の変化を調べた[6]。進化実験は LTEE と同じグル

れぞれに REL606・REL607 とは異なる変異が存在す

コース制限最少培地で行っており、Ara-と Ara+のマるのか、それはどのような遺伝子に入った変異であーカー遺伝子はこの環境適応には影響しないことがるのか調べるのは困難であるが、数個の変異がその先行研究でわかっている[5]。希釈率としては、LTEE後の進化に与える影響を強く示唆する興味深い結果で用いられている 100 倍、理論上適応変異の維持ととなった。

獲得の効果を最大にすると期待される 8 倍を基準に、適応度の時系列変化を調べるために、進化 90 日目2 倍と 1000 倍も用意し、それぞれ 12 のレプリカをの適応度も測定し、150 日目の適応度と比較したと用意して、計 48 集団を 150 日間継代し、進化させた。

ころ 2 倍と 8 倍の希釈倍率条件で平均適応度が減少

進化実験自体はすべての系列で 150 日間であるが、していることがわかった。しかし、この適応度の変希釈率によって 1 日に経る世代数が異なる。2 倍希化は統計的に有意と言える差ではなかった。100 倍

釈は 1 世代、8 倍希釈は 3 世代、100 倍は約 6.6 世代、と 1000 倍希釈に関しては適応度は上昇していたが、1000 倍は約 10 世代と期待される。つまり、150 日間この変化も統計的に有意ではなかった。測定回数をの進化実験は 2 倍希釈の集団で 150 世代、8 倍で 450増やす事で有意差を検出することも可能だが、今回世代、100 倍で 1000 世代、1000 倍で 1500 世代の継は 0 日目の適応度と比較することで時系列変化を議代を重ねたと考えられる。

論することが十分可能であると判断した。0 日目の用意した 12 のレプリカは祖先系統である REL606

適応度は実際には測定していないが、12 のレプリカと REL607 の冷凍ストックを一度培養プレートにま集団は 4 つの異なる希釈条件で同じであるため、0いて単離したそれぞれ 12 の系統から始めている。つ日目の平均適応度も 4 つの希釈条件で同じと考えら

まり、基本的には REL606 と REL607 と同じゲノムれる。そのため、時系列変化は 150 日目の適応度デを持つことが期待されるが、数個の変異が入っていータだけで議論できると考えられる。

る可能性もあり、12 のレプリカは異なる系統として150 日目の適応度を 4 つの異なる希釈条件で比較扱っている。面白いことに、3 番と 5 番の系統はすしたところ、100 倍、1000 倍、8 倍、2 倍の順で平均べての希釈倍率で同じようなマーカーの変化を見せ適応度が高いことが分かった。理論上は 8 倍で最もており、特に最初の 150 世代（希釈倍率によって日高い適応度が期待されたが、結果は異なるものとな数は異なる）はマーカーの割合までほぼ同じであっった。適応度の一対一比較では 100 倍と 2 倍、100た。これは、3 番と 5 番の祖先系統の Ara-か Ara+の倍と 8 倍の比較でのみ有意差がみられた。100 倍とどちらかに選択を始める前にすでにグルコース制限

1000 倍では希釈後の集団サイズに 10 倍もの差が、最少培地に対する適応的な変異または有害な変異が150 日間の進化で約 500 世代の差があったが、適応入っていたために、片方のマーカーに選択が偏って度には顕著な差は見られなかった。

しまったためと考えられる。これを確かめるために、祖先系統の 3 番、5 番の Ara-と Ara+の凍結ストック

考察を利用して、元の祖先系統である REL606 または集団サイズの変化は、standing variation の維持とREL607 と競合培養を行い、それぞれの適応度を測

new variation の獲得との間でトレードオフの関係を定した。その結果、3 番の Ara-が顕著に適応度が低生み出す。理論上、このトレードオフを克服し適応い事、5 番の Ara-が顕著に適応度が高い事が判明し的な変異をより効率的に獲得できるのは 8 倍希釈系た。特に適応的な変異の数は有害な変異の数より少列で継代を行った場合であると予想された。しかし、ないと考えられるため、選択圧のない状態でクロー実際に大腸菌を用いて実験進化を行った場合、150ン単離した中に適応的な変異があった 5 番の Ara-の日目で最も高い適応度を獲得したのは 100 倍希釈系

ような例は非常に珍しいと考えられる。また、進化列の集団であった。1000 倍系列でも 100 倍と同様の

150 日目に 48 のラインからそれぞれクローンを単離高い適応度が観察されたが、実験の煩雑性を考慮すし、適応度を計測し、適応度の値に関して分散分析

ると 100 倍が最も効率よく適応進化を促す希釈系列

4. Jeffrey E. Barrick and Richard E. Lenski, 2013,

であると考えられた。
その他の実験条件を変えた際にも同様の結果が得

Genome dynamics during experimental evolution, Nat.

られるのかは明らかではない。特に今回の実験はRev. Genet., 14: 827-839

new variation からの進化を想定したものであり、

5. Richard E. Lenski, Michael R. Rose, Suzanne C.

standing variation との比較を今回の条件で行うと newSimpson, and Scott C. Tadler, 1991, Long-term

variation に有利に働く可能性がある。しかし、数あexperimental evolution in Escherichia coli. I. Adaptation

る先行研究の中で new variation が standing variationand divergence during 2,000 generations. Americanに勝ることを示唆する結果は非常に少なく[1-2]、直Naturalist 138:1315-1341

接比較を行う上で初期条件を new variation 優位に設

6. Jeffrey E. Barrick, Mark R. Kauth Christopher C.

定するのは妥当であると考えられる。このプロジェ

Strelioff, and Richard E. Lenski, 2010, Escherichia coli

クトの次の段階として、standing variation が優位にな

rpoB mutants have increased evolvability in proportion

る条件と new variation が優位になる条件を比較する

to their fitness defects. Molecular Biology and Evolution

ことが可能となるためである。

27:1338-1347

今後、今回の結果を踏まえて 100 倍希釈系でstanding variation と new variation の直接比較を長期進化実験によって行う予定である。

研究の発表
誌上発表
1.

参考文献

Minako Izutsu, Jack Dodson, Thomas LaBar and1. Sergey Kryazhimskiy, Daniel P. Rice1 and Michael M.

Richard E. Lenski, The effect of the population

Desai, 2012, Population subdivision and adaptation inbottleneck on the rate of adaptation in experimental

asexualpopulationsofSaccharomyces

evolution with Escherichia coli, in preparationcerevisiae,Evolution, 66-6: 1931-1941

2.

Tanush Jagdish, Devin Lake, Minako Izutsu, Richard

2. Carlos J.R.Anderson, 2012, The role of standing

E. Lenski, Fine-Scale Analyses of Late-Term

genetic variation in adaptation of digital organisms to a

Adaptation in Asexual Populations, in preparation

new environment, Artificial Life, 13: 3-10
3. Tadeusz J.Kawecki, Richard E.Lenski, Dieter Ebert,
Brian Hollis, Isabelle Olivieri, Michael C.Whitlock, 2012,
Experimental evolution, Trends Ecol. Evol., 27-10:547-560