Theory of hybrid speciation by sexual selection

• Project/Area Number: 20J00583
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 45030:Biodiversity and systematics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 香川 幸太郎 東北大学, 生命科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 性選択 / 雑種形成 / 交雑帯 / 種分化 / 性的放散 / シミュレーション / 個体ベース・モデル / 雑種種分化 / 進化的放散

Outline of Research at the Start

求愛の鳴き声や婚姻色、羽の模様、花の色や匂いなどの繁殖形質は生物種ごとに千差万別である。繁殖形質の多様性はいかにして進化したのだろうか？近年、種間での雑種形成が、別々の種に由来する遺伝子を組み合わせることで過去にない表現型を作り出し、進化を促進する原動力となりうることが分かってきた。そこで私は、雑種形成が生み出した多様な繁殖形質に対して、メスがオスを選り好みすることで生じる「性選択」が働くことで、新奇な繁殖形質を持つ新種の進化が促進されるという仮説を立てた。本研究では、コンピューター上に構築した仮想生物の進化をシミュレーションする手法を用いて、この仮説の理論的妥当性と成立条件を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

オスの性的装飾形質（例：婚姻色や求愛の鳴き声）とメスの配偶者選好性の多様化は、集団間の生殖隔離を導くことで種多様化を促進すると言われてきた。しかし、多様な交配形質が進化するプロセスはよく分かっていない。本研究では「雑種形成が生み出す遺伝的多様性に対して性選択が作用することで新奇交配形質を持つ新種の進化が促進される」という仮説（性選択による雑種種分化仮説）を提案する。本研究の目的は、この仮説の理論的妥当性・成立条件を進化シミュレーションで解明することである。そのために、まず可能な限り単純化したモデルで仮説の妥当性を検討し、その後より複雑な状況を考慮したモデルによる研究を実施した。単純化したモデルでは、進化しうる形質がオスの装飾とメスの選好性の二つに制限し、それぞれを１次元の量的形質とした。このモデルによる仮説の妥当性の確認と成立条件の探索は予定通り完了した。さらに、「メスが健康状態の良いオスと交配することで利益を得る」という効果を考慮した性選択モデルでも、性選択による雑種種分化仮説の妥当性と成立条件を確認した。

また、本研究の過程で性選択の古典的な理論モデルの殆どが仮定している理想条件（例：集団が無限に大きい、オスが無限回交尾可能、相加的遺伝分散・共分散が変化しない）を緩和すると、古典モデルと大きく異なる進化動態が得られる場合が多いという想定外の結果が得られた。そこで、性選択の古典モデルによる予測が崩れる仕組みの精査も実施した。この研究から、交配形質の遺伝的基盤の複雑さに依存して進化動態の平衡状態が大きく変化しうるという新知見も得られた。さらに、本研究で得られた理論的予測を実証的することを目指して、オビハエトリ属のクモ類を対象とした研究にも着手した。現在までにサンプリングは完了し、得られた試料の一部でRNA-seqを実施した。現在はデータ解析を進めている。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スイス連邦水圏科学技術研究所(スイス)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦水圏科学技術研究所(スイス)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦水圏科学技術研究所（EAWAG）(スイス)
• [Journal Article] Transgressive segregation in mating traits drives hybrid speciation (2023)
  • Author(s): Kagawa Kotaro、Takimoto Gaku、Seehausen Ole
  • Journal Title: Evolution Volume: - Issue: 7 Pages: 1622-1633
  • DOI: 10.1093/evolut/qpad072
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Increased Floral Rewards due to Local Adaptation Drives Plant Ecological Speciation via Learned Preferences of Pollinators (2022)
  • Author(s): Takimoto Gaku、Kagawa Kotaro、Satow Takeaki、Sakamoto Takahiro
  • Journal Title: The American Naturalist Volume: 200 Issue: 6 Pages: 834-845
  • DOI: 10.1086/721764
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Toward a mechanism‐based classification of evolutionary radiations (2021)
  • Author(s): Kagawa Kotaro
  • Journal Title: Population Ecology Volume: 64 Issue: 2 Pages: 108-118
  • DOI: 10.1002/1438-390x.12101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The propagation of admixture-derived adaptive radiation potential (2020)
  • Author(s): Kagawa Kotaro、Seehausen Ole
  • Journal Title: Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences Volume: 287 Issue: 1934 Pages: 20200941-20200941
  • DOI: 10.1098/rspb.2020.0941
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] A theory of hybrid speciation by sexual selection. (2022)
  • Author(s): Kotaro Kagawa
  • Organizer: Tohoku University-OIST 3rd Joint Workshop on Biodiversity: From Genes and Species to Ecosystem Services and Resilience.
• [Presentation] Theories of speciation and adaptive radiation driven by hybridization. (2022)
  • Author(s): Kotaro Kagawa
  • Organizer: 日本生態学会第69回全国大会
• [Presentation] Propagation and maintenance of hybridization-derived adaptive radiation potential: insights from evolutionary computer simulations. (2021)
  • Author(s): Kotaro Kagawa
  • Organizer: The 2nd AsiaEvo Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 交雑帯における非適応的種分化の理論 (2021)
  • Author(s): 香川 幸太郎
  • Organizer: 日本生態学会第68回全国大会
• [Presentation] 雑種形成が適応放散の繰り返しを促進する仕組みと条件を探る：シミュレーションによる研究 (2020)
  • Author(s): 香川 幸太郎，Ole Seehausen．
  • Organizer: 日本進化学会第22回大会
• [Remarks] 雑種由来の系統が爆発的な種多様化を繰り返す仕組みを理論的に解明
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2020/09/press20200930-04-zassyu.html
• [Remarks] The Propagation of Admixture-derived...Potential
  • URL: https://www.lifesci.tohoku.ac.jp/en/research/results/detail---id-49620.html