Repeatability of phenotypic evolution of
tree-like organisms.
著者
野々山 朋信
号
17
学位授与機関
Tohoku University
学位授与番号
生博第398号
URL
http://hdl.handle.net/10097/00127804
東北大学第６４号
博士論文内容の要旨及び
審査結果の要旨
生 命 科 学 第 １７ 集（課程博士）
（令和元年度授与）
東 北 大 学
令 和 元 年 度
氏 名
学 位 の 種 類
学 位 記 番 号
学 位 授 与 年 月 日
学 位 授 与 の 要 件
研 究 科 ， 専 攻
論
文
題
目
博士論文審査委員
ののやま とものぶ野々山 朋信
博士（生命科学）
生博第３９８号
令和２年３月２５日
学位規則第４条第１項該当
東北大学大学院生命科学研究科
（博士課程）生態システム生命科学専攻
Repeatability of phenotypic evolution of tree-like
organisms.（樹状様生物シミュレーションによって明らか にする形態進化の再現性）
（主査） 教授 千葉 聡
准教授 酒井 聡樹
教授 牧野 能士
論文内容の要旨
The evolutionary patterns of geological time scale have been studied in order to document the processes underlying the dynamics. A number of studies have examined how adaptation, interaction among lineages, and stochastic process yield temporal and spatial patterns in phenotypic, genetic and taxonomic diversity. However, it still remains unclear how long term evolutionary dynamics of phenotypic diversity are created in ecosystems.
First, I examine whether evolutionary history is mostly contingent or deterministic has been given much focus in the field of evolutionary biology. In the present study, to incorporate the effects of phenotypic plasticity, we constructed a model using tree-like organisms. In this model, the basic rules used to develop trees are genetically determined, but tree shape (described by the number and aspect ratio of the branches) is determined by both genetic components and plasticity. The results of the simulation show that the tree shapes become more deterministic under higher mutation rates. However, the tree shape became most contingent and diverse at the lower mutation rate. In this situation, the variances of the genetically determinant characters were low, but the variance of the tree shape is rather high, suggesting that phenotypic plasticity results in this contingency and diversity of tree shape. The present findings suggest that plasticity cannot be ignored as a factor that increases contingency and diversity of evolutionary outcomes.
Second, by using the same model, I examine how patterns of extinction are affected by mutation rates (speciation rate in macro level). The result shows that, in the systems with interaction among individuals and plastic changes of phenotypes, a pattern of extinction similar to “mass extinction” is observed under moderate levels of mutation rates (speciation rates).
Finally, I examine how phenotypes and their fitness archived after a long time evolution change depending on mutation rates, interactions among individuals and plasticity. The result shows that medium level of mutation rates and plasticity promote adaptation and increase fitness. These findings reveal the usefulness of simulation to understand the causes of the patterns of long term evolution. The implication and limitation of the present model and insight obtained are discussed.
Figure 1: The phenotypic histogram of the whole result.
Each map is one experiment result, and the horizontal axis represents aspect ratio, which is calculated by Dv/Dh, where D is the distance from the root to the most furthest branch, and small v and h denote the horizontal distance and vertical distance. The vertical axis represents the number of the branches in the individual. The six columns represent the mutation rates. The mutation rates were 5.0e−1, 5.0e−2,5.0e−3, 5.0e−4,5.0e−5,5.0e−6,5.0e−7 from the left. Every result contains 225 individuals after 5000 generations. The color bar of the figures are limit at 10 individuals.
論文審査結果の要旨 野々山朋信提出の本博士論文は、計算機シミュレーションを用いた進化実験により、生物 の進化の再現性や、形質進化のパターン、系統の絶滅分布について、新しい解釈と視点を 与えたものである。 従来、生物の性質の長期的進化に関して、再現可能かどうかが議論されてきた。すなわ ち、同じ環境では適応進化によって常に同様な形質が進化するのか、それとも進化が異な る経路を通る結果、最終的には異なる形質が進化するのか、という問題である。計算機シ ミュレーションが、進化の繰り返し実験を可能にすることから、本研究では樹状の仮想生 物を想定し、光を巡る競争と可塑性による効果で、この問題の解明を試みた。その結果、 可塑性の効果が強く働く場合、そして中レベルの突然変異率の場合、最終的な形質の表現 型分布は、各試行の結果ごとに異なるものになった。一方、それ以外の場合は、最終的な 表現型分布は共通のものになった。この結果は、可塑性が進化の偶然性を高め、進化経路 を大きく変えうること、また突然変異率がそれに影響することを示した点で、従来にない 新しい知見である。 次に本研究では、同じ計算過程から系統の頻繁な交代が起きていることに注目し、その 絶滅率を計算した。その結果、大きな規模の絶滅から小さな規模の絶滅まで、頻度と規模 が一定の関係を示した。これは同じ安定な環境下でも、絶滅規模には大きな変異があり、 まれな大絶滅が起こりうることを示すものである。 さらに本研究では、可塑性の効果が高まることにより、形質の時系列変化が不連続的に なることを示した。これは突然変異率が小さいときに顕著であり、少数の突然変異が大き な表現型効果を引き起こしうることを示している。これは計算機シミュレーションによっ て、可塑性を介した飛躍的進化の可能性を示した新規な成果である。 以上のように本論文は野々山君が自立して研究活動を行うに必要な高度の研究能力と学識 を有することを示している。したがって，野々山朋信提出の論文は，博士（生命科学）の 博士論文として合格と認める。
