確定G×E的演化力

Emily B. Josephs

概要

表型可塑性在自然界中很常見，但我們?nèi)狈?duì)影響塑性遺傳變異的進(jìn)化力的全面理解。這一努力尤其重要，因?yàn)榭伤苄缘淖兓瘯?huì)導(dǎo)致基因型與環(huán)境的相互作用（G×E），這是數(shù)量性狀變異的一個(gè)重要組成部分。在這里，我回顧一下我們對(duì)塑造G×E的演化力的理解，特別關(guān)注：什么演化力保持可塑性的變化;以及什么力量在不同的環(huán)境中維持不同的基因架構(gòu)我的具體目標(biāo)是通過對(duì)比可塑性與中性期望的遺傳變異模式，顯示基因組數(shù)據(jù)可以用來解釋G×E的維護(hù)。

一，導(dǎo)言

植物表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境條件的驚人反應(yīng)范圍。被陰影遮蔽的植物可以將資源轉(zhuǎn)向生長以努力達(dá)到陽光（Dudley＆Schmitt，1996），草食動(dòng)物攻擊的植物可釋放揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)，吸引食草食動(dòng)物捕食者（Kessler＆Baldwin，2001）。這些是表型可塑性的許多例子中的兩個(gè)：特定基因型在不同環(huán)境中產(chǎn)生改變的表型的能力。盡管上述行為看起來有益，但塑性反應(yīng)也可能是有害的;例如，如果植物無法在干旱面前保持增長，這種反應(yīng)就是適應(yīng)不良的可塑性。一直以來，進(jìn)化生物學(xué)家都對(duì)生物體，特別是植物響應(yīng)環(huán)境變化的能力感興趣（Bradshaw，1965; Schlichting，1986; Scheiner，1993）。然而，盡管塑性對(duì)進(jìn)化有著明顯的重要性，但我們對(duì)形成物種內(nèi)可塑性遺傳變異的進(jìn)化力缺乏系統(tǒng)的理解。

哪種進(jìn)化機(jī)制塑造可塑性的變化對(duì)于維持?jǐn)?shù)量性狀的變異具有廣泛的意義?？伤苄赃z傳變異的存在將導(dǎo)致G×E - 確定表型時(shí)基因型與環(huán)境之間的非加性相互作用（圖1a）。 G×E在自然種群和物種中很常見（Des Marais et al。，2013），因此理解保持?jǐn)?shù)量性狀遺傳變異的進(jìn)化力需要理解G×E的演化力。然而，我們也可以認(rèn)為的G×E作為表型遺傳貢獻(xiàn)的環(huán)境變異（圖1b）。在這種情況下，對(duì)G×E的觀察表明，在不同環(huán)境下測(cè)量的性狀之間存在不完全的遺傳相關(guān)性，并且不同環(huán)境下性狀的遺傳性可能不同（Falconer，1952）。在這個(gè)框架內(nèi)，理解構(gòu)成G×E的進(jìn)化力將需要解釋為什么遺傳結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境中存在差異。

圖1. G×E的可視化（a）G×E作為塑性響應(yīng)的遺傳變異的視圖。 在這種情況下，由線代表的兩種基因型在對(duì)環(huán)境A和環(huán)境B的響應(yīng)方面有所不同。（b）與（a）相同的數(shù)據(jù)，從G×E的角度表示為基因型環(huán)境影響的變化。 在這種情況下，環(huán)境B引發(fā)基因型之間的差異，而環(huán)境A則不然。

這里所描述的G×E的兩種觀點(diǎn)與塑性的兩個(gè)歷史觀點(diǎn)相對(duì)應(yīng)：首先，塑性是一種可以對(duì)選擇做出反應(yīng)的特征;其次，可塑性是在每個(gè)環(huán)境中響應(yīng)選擇而發(fā)展的相關(guān)特征的集合（Via等人，1995）。這些觀點(diǎn)已被證明可以分享理論基礎(chǔ)（De Jong，1995; Via等人，1995），我不會(huì)認(rèn)為一種觀點(diǎn)是否比另一種更好，而是指出兩種觀點(diǎn)可以指導(dǎo)我們理解G×E。在這次審查中，我將討論我們目前對(duì)G×E維護(hù)的理解，并探討解決我們知識(shí)差距的可能方法。盡管用各種實(shí)驗(yàn)方法研究可塑性有著悠久的傳統(tǒng)，但我在此集中研究利用基因組數(shù)據(jù)將可塑性遺傳變異模式與各種進(jìn)化情景聯(lián)系起來的方法的潛力。我專注于植物文獻(xiàn)中的例子，但這些概念問題對(duì)于所有王國的生物體顯然是重要的。

II。保持可塑性的遺傳變異

如果我們認(rèn)為G×E是可塑性遺傳變異的結(jié)果，塑造變異性的進(jìn)化力的表征將揭示維持G×E的力。我將首先討論維持種群內(nèi)可塑性的變化，然后轉(zhuǎn)向維持人口之間的可塑性變化，特別是當(dāng)?shù)剡m應(yīng)的作用。

什么因素影響塑性的種群變異（G×E）？

為維持其他性狀變異的可塑性鏡像假設(shè)維持種群內(nèi)遺傳變異的假設(shè)（Bradshaw，1965; Schlichting，1986; Mitchell-Olds等人，2007）。首先，如果塑性差異不影響適應(yīng)性，則塑性變化可能是中性的?；蛘?，可塑性內(nèi)的種群內(nèi)變異可以通過突變選擇平衡或某種形式的群內(nèi)平衡選擇來維持，例如時(shí)間變量選擇，群體內(nèi)微環(huán)境之間變化的選擇或負(fù)頻率依賴性選擇（ Charlesworth，2006; Delph＆Kelly，2014）。然而，時(shí)間變量選擇維持可塑性變化的想法有點(diǎn)違反直覺，因?yàn)槔碚擃A(yù)測(cè)某些時(shí)間變量選擇的頻率將在可塑性上選擇正面（Bradshaw，1965）。

對(duì)塑性選擇的直接測(cè)量（框1）可以為種群內(nèi)變異的選擇力提供一些證據(jù)。例如，選擇方向在多年內(nèi)變化的觀察結(jié)果與作用于可塑性的時(shí)間變量選擇一致。然而，將進(jìn)化假說與觀察到的G×E模式聯(lián)系起來往往可以通過鑒定控制可塑性變異的基因座（專欄2）并將這些基因座的變異與這些進(jìn)化假說連接起來。有許多方法可以鑒定引起表型變異的遺傳變異，但我將把重點(diǎn)放在全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）上。與雙親種群中的連鎖作圖不同，GWAS可以從高分辨率的大量自然多樣性中鑒定等位基因，然后可以使用這些基因座的等位基因頻率來測(cè)試進(jìn)化假說（Flint-Garcia等人，2005; Korte＆Farlow ，2013）。

方框1.直接測(cè)試塑性選擇
許多研究使用不同環(huán)境和適應(yīng)度下測(cè)量的性狀值之間的關(guān)聯(lián)測(cè)量了可塑性選擇（Scheiner和Callahan，1999; Stinchcombe等，2004; Bell＆Galloway，2007; McIntyre＆Strauss，2014; Wagner＆Mitchell- Olds，2017）。例如，Scheiner和Callahan（1999）使用路徑分析來測(cè)量不同環(huán)境中表達(dá)的性狀與適應(yīng)度之間的相關(guān)性，使他們能夠檢測(cè)擬南芥中高度可塑性降低的選擇。這種方法的另一個(gè)例子來自Stinchcombe等人。 （2004）在每個(gè)環(huán)境中回歸線性狀意味著對(duì)所有品系在該環(huán)境中的平均特性值的回歸，并且使用該回歸系數(shù)作為可塑性的量度，能夠檢測(cè)針對(duì)開花時(shí)間可塑性的選擇，也在擬南芥中（Stinchcombe等，2004）。
盡管上述研究在特定情況下發(fā)現(xiàn)了可塑性選擇的證據(jù)，但對(duì)可塑性的局部適應(yīng)性的選擇需要比較環(huán)境之間的選擇壓力，這可以通過相互移植實(shí)驗(yàn)來完成。這種方法的一個(gè)例子來自Baythavong＆Stanton（2010），他測(cè)量了在蛇紋石和非蛇紋石土壤中表達(dá)的性狀的反應(yīng)規(guī)范的選擇，并發(fā)現(xiàn)了家庭層面對(duì)土壤特性的反應(yīng)與整個(gè)實(shí)驗(yàn)的平均適應(yīng)性之間的關(guān)聯(lián)。 Baythavong（2011）將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有關(guān)土地變化的空間尺度的信息結(jié)合起來，可以證明在微環(huán)境變化較小的土壤環(huán)境中，土壤環(huán)境中增加的可塑性的選擇以及降低可塑性的選擇。

框2.與G×E相關(guān)的基因座的圖譜
越來越多的研究已經(jīng)開始使用全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）來研究G×E的遺傳基礎(chǔ)。這些研究采用了兩種類型的方法。首先，與G×E相關(guān)的基因座可以通過繪制可塑性測(cè)量來鑒定，以鑒定增加或減少可塑性的遺傳變異（El-Soda et al。，2014）。通常使用反應(yīng)規(guī)范來衡量可塑性，以總結(jié)環(huán)境和表型之間的關(guān)系（Callahan等人，2008），并且以這種方式存在用于測(cè)量可塑性的各種策略（Via et al。，1995; Stinchcombe＆Kirkpatrick，2012 ; Morrissey＆Liefting，2016; Walsh，2017）。許多研究已經(jīng)將這些塑性測(cè)量用作GWAS中的特征以鑒定與可塑性相關(guān)的基因座（Morrison＆Linder，2014; Bac-Molenaar等，2016; Gage等，2017; Kusmec等，2017 ; Thoen等，2017）。
或者，可以獨(dú)立地繪制在不同環(huán)境中測(cè)量的性狀，從而允許鑒定在不同環(huán)境中等位基因效應(yīng)不同的基因座（Atwell等，2010; Zhao等，2011; Filiault＆Maloof，2012; Consortium等， 2016）。另外，已經(jīng)開發(fā)了使用批量分離分析來比較環(huán)境中測(cè)量的影響的方法（Monnahan＆Kelly，2017）。第一種方法將識(shí)別與特征反應(yīng)相關(guān)的基因座，但不會(huì)提供關(guān)于環(huán)境中效應(yīng)如何不同的信息，而第二種方法可以識(shí)別特定感興趣環(huán)境中的基因座（Maranville等，2012）。例如，如果有興趣知道G×E是否因某種環(huán)境中等位基因效應(yīng)增加而存在，那么第二種方法將更有用。但是，第一種方法對(duì)尋找特異性增加或減少塑性響應(yīng)的等位基因更有用。
盡管上述兩種方法都映射了G×E的方面，但是在相同數(shù)據(jù)上使用這兩種方法的研究并不總能找到一致的結(jié)果（Brachi等，2013; Morrison＆Linder，2014; Kita＆Fraser，2016）用于G×E映射的方法的選擇具有重要的后果。由于這兩種方法反映了G×E的不同觀點(diǎn)，這是一個(gè)有用的例子，它說明了G×E的概念如何形成對(duì)G×E進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式。還值得注意的是，已經(jīng)開發(fā)了另外的方法來通過比較具有和不具有G×E成分的GWAS模型（Korte和Farlow，2013; Sasaki等，2015），來具體繪制有助于G×E的位點(diǎn)，研究G×E在與環(huán)境特征相關(guān)的變異中的遺傳結(jié)構(gòu)（Casale等，2017）。

對(duì)于性狀的各種選擇性壓力如何影響與該性狀相關(guān)的等位基因頻率，效應(yīng)大小和相關(guān)的基因座的中性變異，有許多預(yù)測(cè)。在突變選擇平衡下，陰性選擇應(yīng)該維持低頻率的等位基因，并且由于陰性選擇的強(qiáng)度與等位基因效應(yīng)相關(guān)，預(yù)計(jì)突變選擇平衡也會(huì)導(dǎo)致效應(yīng)大小和等位基因頻率之間呈負(fù)相關(guān)（綜述在Josephs等人，2017中）。或者，如果群內(nèi)平衡選擇維持可塑性變異，則與可塑性相關(guān)的基因座預(yù)期處于比中性基因座更高的等位基因頻率（Charlesworth，2006）。在一個(gè)基因座上平衡選擇也可能會(huì)提高附近的中性多態(tài)性（Charlesworth，2006），在平衡選擇的基礎(chǔ)上留下可檢測(cè)的簽名（DeGiorgio et al。，2014）。測(cè)試突變選擇平衡和平衡選擇的特征將需要仔細(xì)導(dǎo)航影響等位基因頻率和GWAS檢測(cè)到的基因座效應(yīng)大小的確定偏差（Josephs等，2017）。

盡管有這些模棱兩可的結(jié)果，QST-FST仍然有望在可塑性中檢測(cè)局部適應(yīng)性。上述研究使用10-15個(gè)人群，增加這些研究中使用的人群數(shù)量可以提高能力（O'Hara＆Meril?，2005）。此外，擴(kuò)大QST-FST來處理復(fù)雜的人口結(jié)構(gòu)和多重特征可能會(huì)取得更大的成功。例如，標(biāo)準(zhǔn)的QST-FST研究假設(shè)所有種群都彼此平等相關(guān)，因此方法學(xué)上的改進(jìn)包含了種群間復(fù)雜的相關(guān)性模式，可以提高我們檢測(cè)自適應(yīng)分歧的能力（Ovaskainen等，2011; Whitlock＆Gilbert ，2012）。另外，Ovaskainen等人（2011）將QST-FST應(yīng)用于多變量性狀可應(yīng)用于不同環(huán)境中測(cè)量的性狀：與中性期望相比，環(huán)境性狀減少相關(guān)性的觀察結(jié)果與當(dāng)?shù)貙?duì)可塑性的適應(yīng)性一致。此外，由Karhunen等人開發(fā)的測(cè)試（2014）測(cè)試沿著特定環(huán)境梯度的適應(yīng)性分歧可以用來檢測(cè)沿著環(huán)境梯度的塑性的適應(yīng)性發(fā)散，這些假設(shè)對(duì)塑性選擇很重要。

識(shí)別局部可塑性適應(yīng)性的另一種可能方法涉及繪制與可塑性相關(guān)的基因座，并測(cè)試這些基因座上的選擇簽名在已經(jīng)基因分型但未表型的額外群體中。局部適應(yīng)通常會(huì)推動(dòng)與特征相關(guān)的基因座的等位基因頻率和該特征的等位基因效應(yīng)方向的協(xié)變（Berg＆Coop，2014）。例如，局部適應(yīng)可塑性的特征是增加可塑性的等位基因在由于漂移而可塑性比預(yù)期有利的環(huán)境中更常見。這種方法的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是，可塑性的局部適應(yīng)性可以在尚未直接進(jìn)行塑性表型分析的群體中檢測(cè)到，這對(duì)于在多種環(huán)境或不能在多種環(huán)境中進(jìn)行表型分析的遠(yuǎn)交種群個(gè)體的可塑性選擇研究特別有價(jià)值歷史上的個(gè)人根本無法進(jìn)行表型分析。

III。為什么遺傳效應(yīng)存在環(huán)境變異？

在前面的章節(jié)中，我討論了可塑性變化的維護(hù)，因此G×E;然而，G×E也可以被認(rèn)為是反映遺傳效應(yīng)的環(huán)境變異。這種G×E的觀點(diǎn)將可塑性視為一組相關(guān)字符，其中每個(gè)字符表示在特定環(huán)境中測(cè)量的感興趣特征（Falconer，1952; Via＆Lande，1985; Via等，1995）。不同環(huán)境中性狀表達(dá)之間的低遺傳相關(guān)性表明，負(fù)責(zé)性狀變異的等位基因在每個(gè)環(huán)境中具有不同的影響（El-Soda et al。，2014）（圖2）。對(duì)維持G×E的進(jìn)化力的理解需要調(diào)查選擇如何在特定環(huán)境中形成特征的遺傳變異，以及為什么具有環(huán)境特異性效應(yīng)的等位基因持續(xù)存在。

圖2. 三個(gè)雙等位基因座的環(huán)境中不同的等位基因效應(yīng)。 （a）繪制的三個(gè)基因座（○，?，*）中沒有G×E和等位基因效應(yīng)（具體而言，替代等位基因的效應(yīng)）在環(huán)境中相同的例子。 （b）一個(gè)例子，其中有G×E，因?yàn)槊總€(gè)基因座的等位基因效應(yīng)在環(huán)境之間不同。 特別地，第一個(gè)基因座（○）處的等位基因僅在環(huán)境A中有效，第二個(gè)基因座處的等位基因（?）僅在環(huán)境B中具有作用，并且第三個(gè)基因座（*）處的等位基因具有不同的作用 在這兩種環(huán)境中。

可塑造可塑性變異的各種機(jī)制 - 突變選擇平衡，種群內(nèi)平衡選擇和局部適應(yīng) - 可以形成不同環(huán)境中性狀表達(dá)的變異。比較這些力量在環(huán)境中的相對(duì)重要性將有助于解決有關(guān)維護(hù)G×E的問題。我關(guān)注兩個(gè)具體問題。首先，G×E是否因不同環(huán)境之間的選擇壓力而不同？其次，具有環(huán)境特異性效應(yīng)的等位基因比具有組成性效應(yīng)的等位基因更可能促成局部適應(yīng)，導(dǎo)致G×E？

G×E是環(huán)境中不同選擇壓力的結(jié)果嗎？

G×E可能是由選擇間的環(huán)境差異造成的。這個(gè)最極端的例子是神秘的變異 - 遺傳變異一直存在，因?yàn)樗辉诓怀Ｒ姷沫h(huán)境中表達(dá)，所以逃避了純化選擇（Paaby＆Rockman，2014）。即使跨環(huán)境的選擇壓力的差異比上面描述的要低，極端環(huán)境下選擇效率的梯度可以保持G×E，就像特定環(huán)境中表達(dá)的某個(gè)特定特征的局部適應(yīng)一樣。了解這些過程在G×E形成中的作用將需要比較不同環(huán)境中選擇的差異。

有幾種可能的策略可以用來處理特定環(huán)境的選擇和G×E。首先，可以直接在不同的環(huán)境中測(cè)量塑性的選擇，如框1所述，然后在不同的環(huán)境中進(jìn)行比較。其次，可以用QST-FST方法分析在不同環(huán)境中進(jìn)行的性狀測(cè)定，以測(cè)試在特定環(huán)境中表達(dá)的性狀的局部適應(yīng)性，可能具有多變量QST-FST方法（Ovaskainen等，2011）。

特定環(huán)境中與性狀相關(guān)的基因座變異模式也可用于研究環(huán)境選擇的差異（方框2）。例如，如果G×E因?yàn)閷?duì)僅在極少經(jīng)歷環(huán)境中有效的等位基因的負(fù)面選擇而持續(xù)存在，我們預(yù)計(jì)在許多環(huán)境中具有效果的等位基因?qū)⒕S持在比僅在少數(shù)環(huán)境中具有效應(yīng)的等位基因更低的頻率。此外，在特定環(huán)境中具有巨大有害作用的等位基因在經(jīng)常出現(xiàn)這種環(huán)境的人群中應(yīng)該比在其他人群中更不常見。這些預(yù)測(cè)尚未直接進(jìn)行測(cè)試，但已使用與在各種人體組織中檢測(cè)到的基因表達(dá)（'eQTLs'）相關(guān)的基因座來研究類似的預(yù)測(cè)。例如，Li等人（2017）發(fā)現(xiàn)，對(duì)多種組織中表達(dá)具有影響的等位基因比具有組織特異性效應(yīng)的等位基因保持更低的頻率，這與基因型和組織類型之間基因表達(dá)的相互作用的選擇性約束變化一致。類似的方法可以應(yīng)用于與在多種環(huán)境中表達(dá)的性狀相關(guān)的基因座，以了解形成G×E的選擇性作用力。

2.環(huán)境特異性等位基因?qū)Ξ?dāng)?shù)剡m應(yīng)有多重要？

如果通過局部適應(yīng)維持具有特定環(huán)境影響的基因座的變異，則這將導(dǎo)致G×E。我們預(yù)期某些形式的可塑性是適應(yīng)性的，因?yàn)樗苄皂憫?yīng)允許生物體表達(dá)在一個(gè)環(huán)境中有益的性狀，同時(shí)避免在不利于其他環(huán)境中表達(dá)該性狀的有害多效性效應(yīng)?？紤]到這一點(diǎn)，僅在少數(shù)環(huán)境中具有效應(yīng)的等位基因可能更容易為局部適應(yīng)做出貢獻(xiàn)，因?yàn)樗鼈儽仍谠S多環(huán)境中具有效應(yīng)的等位基因具有更少的多效性后果（Orr，2000）。

測(cè)試關(guān)于環(huán)境特異性等位基因是否比具有組成性效應(yīng)的等位基因更可能對(duì)局部適應(yīng)有貢獻(xiàn)的預(yù)測(cè)將需要描述如何選擇對(duì)兩種類型的等位基因起作用。例如，適應(yīng)性遺傳分化掃描的異常值（Savolainen et al。（2013）綜述），結(jié)合關(guān)于與特定性狀相關(guān)的環(huán)境特異性效應(yīng)大小的信息，可以揭示具有特定環(huán)境影響的基因座是與構(gòu)成效應(yīng)的基因座相比，更有可能導(dǎo)致分歧。然而，這些比較必須小心以避免由于GWAS掃描之間共享的適應(yīng)性分歧之間的確認(rèn)偏差而導(dǎo)致的誤報(bào)（Josephs et al。，2017）。一個(gè)潛在的途徑是開發(fā)將多基因適應(yīng)測(cè)試（如Berg＆Coop（2014））與測(cè)試中等位基因效應(yīng)的環(huán)境特異性相結(jié)合的測(cè)試方法，以測(cè)試在特定環(huán)境中對(duì)基因座過度適應(yīng)性分歧。

IV。結(jié)論

在這篇綜述中，我總結(jié)了我們對(duì)保持G×E的演化力的理解，并且描述了一些可以用來填補(bǔ)我們知識(shí)空白的方法。了解塑造可塑性的演化力將會(huì)有許多實(shí)際應(yīng)用。例如，維持G×E的選擇壓力將對(duì)預(yù)測(cè)對(duì)全球氣候變化和其他人類影響的預(yù)測(cè)產(chǎn)生影響（Nicotra等，2010; Blackman，2017）。此外，了解選擇在G×E形成中的作用將對(duì)作物育種有用。育種者長期以來一直希望減少G×E的生產(chǎn)力，以便個(gè)體能夠在不同的環(huán)境中保持高生產(chǎn)力（Allard＆Bradshaw，1964），但這樣做可能需要增加G×E來獲得緩沖所需的中間性狀環(huán)境影響（Schlichting＆Smith，2002）。

總的來說，對(duì)廣泛的物種和性狀塑造G×E的選擇性力量的描述對(duì)于發(fā)展清楚地理解G×E在維持?jǐn)?shù)量性狀變異方面發(fā)揮的作用非常重要。未解決的問題包括：G×E有多少反映自適應(yīng)過程，如局部適應(yīng)和平衡選擇，以及在某些環(huán)境中放松約束和漂移的結(jié)果有多少？作用于G×E的選擇壓力是否因性狀或發(fā)生可塑性的機(jī)制而不同？適應(yīng)是否經(jīng)常通過構(gòu)成性狀變化或通過精細(xì)調(diào)整的環(huán)境響應(yīng)而發(fā)生，從而增加G×E？盡管研究塑性響應(yīng)和G×E的悠久傳統(tǒng)，特別是在植物中，我們現(xiàn)在準(zhǔn)備通過利用大型數(shù)據(jù)集和新技術(shù)來全面理解形成G×E的進(jìn)化力。