Nuclear compensatory evolution driven by mito-nuclear incompatibilities

Debora Princepe and Marcus A. M. de

Edited by Marcus Feldman, Stanford University, Stanford, CA; received June 12, 2024; accepted September 12, 2024
October 11, 2024

了解核基因组和线粒体基因组如何共同进化对于阐明生物体的恢复力和适应能力至关重要。本研究探讨了这些相互作用的基因组之间的错配如何影响替换，揭示了核补偿——有害线粒体突变诱导相应核基因代偿性变化的过程。使用带有线粒体核兼容性选择的物种形成模型，我们表明强选择和增加的错配有助于核补偿，正如预期的那样。有趣的是，高线粒体突变率可以减少对补偿的需求，这种影响可能会被模型反向突变高估，而最初相容的核基因中的替换会增加。此外，不相容性的存在加速了物种辐射。这些发现有助于理解尽管遗传不相容，但种群恢复力，同时将线粒体-核协同进化、替代率和物种形成联系起来。
线粒体功能依赖于线粒体和核基因的协调表达，尽管线粒体突变率高，但仍表现出显着的弹性。核补偿机制表明，有害的线粒体等位基因驱动代偿性核突变以保持线粒体核相容性。然而，由于其相互矛盾的证据，这种现象的患病率和因素仍然存在争议。在这里，我们研究了线粒体核不相容性如何影响物种辐射模型中的替换。交配成功取决于遗传相容性（核 DNA）和空间接近性。种群从部分相容的线粒体核状态进化而来，模拟线粒体 DNA （mtDNA） 渗入。突变没有优点或缺点，但个体的繁殖力会随着不相容性的增加而下降，选择线粒体-核协调。我们发现，线粒体核相容性的选择根据其初始状态对每个基因组的影响不同。在相容的基因对中，选择减少了两个基因组中的替换，而在不相容的核基因中，它始终促进补偿，这由更多的错配所促进。有趣的是，高线粒体突变率可以通过增加 mtDNA 整流来减少核代偿，同时促进初始相容核基因的替换。最后，不相容性的存在加速了物种辐射，但平衡丰富度与取代率没有直接关系，揭示了线粒体渗入和线粒体核协同进化触发的复杂动力学。我们的研究通过探索极端情景和确定仅凭经验数据无法揭示的趋势，为核补偿和线粒体-核不相容性在物种形成中的作用提供了观点。我们强调了检测这些动态的挑战，并提出分析特定的基因组特征可以阐明这一进化过程。