Character displacement or priority effects: immigration timing can affect community assembly with rapid evolution

Keiichi Morita, Masato Yamamichi

Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences (2024) 291: 20242145. DOI:10.1098/rspb.2024.2145

プレスリリース資料

私たちの身の回りには実に様々な生き物が共存しています。例えば、森の中には似たような餌を食べる鳥が複数種生息しています。ここで、もし新しい種が環境に加わるとすると、なぜある時は平和に共存し、またある時は、一方が絶滅してしまうのでしょうか？

国立遺伝学研究所 新分野創造センター 理論生態進化研究室の山道真人准教授と東京大学修士課程大学院生　森田慶一（当時、現・総合研究大学院大学博士課程 大学院生）は、生物種の「共存」と「絶滅」を決定づける重要な要因を解明しました。その鍵を握るのは、生物が新しい環境に到達する「タイミング」だということが明らかになりました。

従来の研究では、生き物の集団には、形質置換による共存と、進化的先住効果による絶滅という2つのプロセスが起こることが知られていました。本研究では、2種が競争する数理モデルを用いて、2つのプロセスを統合する理論的枠組みを構築しました。その結果、2つの種が比較的近い時期に入ってきた場合、形質置換が起こって、後から移入してきた種が定着し共存しますが、2つの種の入ってくる時期に大きな差がある場合、進化的先住効果によって、後から移入してきた種が定着せず絶滅することがわかりました。

今後、本研究の理論的枠組みを拡張していくことで、より複雑な野外の生物群集の理解を深め、外来種対策や絶滅危惧種の保全、自然資源管理などへ貢献することが期待されます。

本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（課題番号：19K16223、20KK0169、21H02560、22H02688、22H04983）、科学技術振興機構CREST （課題番号：JPMJCR23N5）、稲盛研究助成、オーストラリア研究評議会Discovery Project（課題番号：DP220102040）、理化学研究所数理創造プログラム（iTHEMS）の研究助成を受けて実施されました。

本研究は、2024年11月20日にProceedings of the Royal Society B: Biological Sciencesに掲載されました。

図: (a) 形質置換が起こると、資源（ニッチ）分割により2種間の競争が弱まり、共存が起こります。 (b) 進化的先住効果が起こる場合、先に移入した種1（赤い丸）が局所適応してニッチを独占することで、後から移入した種（青い三角）が定着せずに絶滅します。ここでは、色が濃いほど、生息地に局所適応していることを示しています。

A complete classification of evolutionary games with environmental feedback

Hiromu Ito & Masato Yamamichi.

PNAS Nexus (2024). 3 (11): pgae455. DOI:10.1093/pnasnexus/pgae455

プレスリリース資料

国立遺伝学研究所新分野創造センター理論生態進化研究室の山道真人准教授と長崎大学熱帯医学研究所国際保健学分野の伊東啓准教授は、社会における協力行動が環境中の資源量と相互作用する一般的なゲーム理論の数理モデルを解析し、複雑なフィードバックがもたらす結果を明らかにしました。

ヒトを含むさまざまな生物では、他個体と協力する行動が広く見られます。個体が合理的に振る舞うと、集団全体にとっての最適な選択と一致しない「社会的ジレンマ」という葛藤がしばしば生じるにもかかわらず、なぜ協力行動は存在するのだろうか、という問いに答えるために、「進化ゲーム理論」が精力的に研究されてきました。

社会的ジレンマの代表的な例として、「共有地の悲劇」があります。これは、誰もが自由に利用できる共有資源（放牧場・漁場など）を各自が利己的に奪い合うことで、資源が過剰に消耗・枯渇してしまう状況を指します。共有地の悲劇は、漁業経済学や保全生態学でよく調べられてきました。共有地の悲劇を回避するためには、協力行動と環境中の資源量が互いに影響し合う「環境フィードバック」を取り入れた進化ゲーム理論の枠組み（図）が有効なアプローチとなります。しかし、先行研究は限られた社会的ジレンマの状況にのみ焦点を当てていました。

本研究では、環境フィードバックを考慮した進化ゲーム理論のもとで、全ての社会的ジレンマを網羅した理論的枠組み（数理モデル）を構築しました。これにより、初期状態に依存して協力が維持されて、共有地の悲劇を回避できる状況や、協力行動と資源量の間に周期的な変動が生じる状況など、複雑なフィードバック動態が幅広い条件のもとで起きることが明らかになりました。

このような一般的なモデルで得られた成果をもとに、環境問題や公衆衛生の問題など、個別の社会問題に特化したモデルを構築・解析することで、生態系と社会の間にある複雑な相互作用についての理解が深まり、両者を望ましい方向へ誘導できるようになると期待されます。

本研究は、JSPS科研費17H04731、19K16223、19KK0262、 20KK0169、21H01575、21H02560、22H01713、 22H02688、22H04983、23KK0210、NIG-JOINT(96A2023、73A2024)、Australian Research Council (ARC) Discovery Project (DP220102040)の助成を受けました。

図: 環境フィードバックを含むゲーム理論モデルの構造
人々の行動が環境（資源量）に影響し、環境が人々の行動に影響するフィードバックを表現している。

澤研究室・多細胞構築研究室

Distinct functions of three Wnt proteins control mirror-symmetric organogenesis in the C. elegans gonad

Shuhei So, Masayo Asakawa and Hitoshi Sawa

eLife (2024) Nov 1:13:e103035 DOI:10.7554/eLife.103035

多くの器官は鏡像対称な形をしています。そのためには器官形成時に、同等な位置にある細胞が同じ運命を持ち、鏡像対称な挙動・移動をする必要があります。

線虫C. elegansの生殖巣は前後方向に鏡像対称な構造をしています。これは、生殖巣の伸長をガイドする二つのdistal tip細胞(DTC)が、それぞれ前方、後方に移動するからです。DTCはその前駆細胞（Z1とZ4）から二回の非対称分裂を経て作られます。Z1とZ4は鏡像対称な極性を持つために、DTCも極像対称な位置（生殖巣の遠位端）に作られると考えられます。

今回、多細胞構築研究室の澤斉教授、宗修平研究員（当時）らは、SGP細胞の鏡像対称な極性が三種類のWntタンパク質（シグナル分子）とWnt受容体であるLIN-17/Frizzledの冗長的働きによって制御されていることを明らかにしました。LIN-17はWnt受容体ですが、Wntと無関係に働きます。また三種類のWnt（CWN-1、CWN-2，EGL-20）は全く異なる効果を持っています。CWN-2は、Z1とZ4に反対向きの（つまり鏡像対称な）極性を、CWN-1はZ1・Z4共に同じ方向の極性を誘導します。さらにEGL-20は、CWN-1の働きを阻害します。lin-17 egl-20 cwn-2三重変異体では、Z1細胞の極性が逆転し、Z4細胞と同じ方向に極性化する結果、Z1由来のDTCは生殖巣の前端ではなく中央に作られます。そして、Z1由来のDTCは、後方に移動してしまいます。鏡像対称な極性形成により、DTCが生殖巣の遠位端に正しく配置されることで、鏡像対称な細胞移動および器官形成が制御されていることが明らかになりました。

本研究は科研費（JP16H04797）、武田科学振興財団およびNIG-JOINTの支援を受けて実施しました。

図：左：C. elegans野生型の生殖巣の発生。Z1、Z4細胞は鏡像対称な極性を持ち、二つのDTCを生殖巣の遠位端に作り出す。それぞれのDTCは遠位方向に移動する。中央；lin-17 egl-20 cwn-2変異体では、Z1の極性が逆転し、DTCが生殖巣の中央に作られ、Z1由来のDTCが後方に移動する。右：移動中のDTC（緑）の写真

2024年11月1日付けで植物細胞遺伝研究室の野々村賢一准教授が教授に昇任しました

▶野々村賢一：遺伝形質研究系　植物細胞遺伝研究室

野々村 賢一　教授