Assessing multivariate constraints to evolution across ten long-term avian studies

Abstract

Antecedentes: En un mundo que cambia rápidamente, es de fundamental importancia comprender los procesos tendentes a limitar o facilitar la adaptación a través de la micro-evolución. Dado que los distintos rasgos de un organismo varían, se espera que las correlaciones genéticas que les afectan, modifiquen sus trayectorias evolutivas. Sin embargo, se dispone de datos empíricos limitados. Metodología/Principales hallazgos: Investigamos la medida en que las limitaciones multivariables afectan a la velocidad de adaptación, centrándose en cuatro rasgos morfológicos, que a menudo han sido el puerto de grandes cantidades de variación genética y que se consideran sujetas a restricciones evolutivas limitadas. Nuestra base de datos incluye informaciones, únicas a largo plazo, para siete especies de aves y un total de 10 poblaciones. Estudiamos las matrices específicas de la población de las correlaciones genéticas y sus coeficientes de selección multivariable para predecir respuestas evolutivas a la selección. Usamos métodos bayesianos que facilitan la propagación de errores en las estimaciones; (1) se compara la tasa de adaptación basada en la respuesta predicha a la selección para ver si se incluyen las correlaciones genéticas con las predicciones de los modelos en los que estas correlaciones genéticas se fija en cero; y (2) la capacidad de evolución multivariable en la dirección de la selección actual respecto de la evolución media en direcciones aleatorias del espacio fenotípico. Se demuestra que las correlaciones genéticas son de un 28% en el descenso medio de la tasa prevista de adaptación. La capacidad de evolución multivariable de la selección actual en la dirección era sistemáticamente inferior a la capacidad de evolución promedio en direcciones aleatorias de espacio. Estas reducciones significativas en la tasa de adaptación y reducción de la capacidad de evolución se debieron a un alineamiento general de la selección y la varianza genética, en particular en el punto de encuentro de la ortogonalidad de selección direccional y el eje de tamaño a lo largo de los cuales es la mayoría de la varianza genética (60%).

Conclusiones: Estos resultados sugieren que las correlaciones genéticas pueden imponer restricciones significativas en la evolución de la morfología aviar en las poblaciones silvestres. Esto podría tener un impacto importante en la dinámica evolutiva y, por tanto, en la persistencia de la población frente a los rápidos cambios ambientales

Background: In a rapidly changing world, it is of fundamental importance to understand processes constraining or facilitating adaptation through microevolution. As different traits of an organism vary, genetic correlations are expected to affect evolutionary trajectories. However, only limited empirical data are available.

Methodology/Principal findings: We investigate the extent to which multivariate constraints affect the rate of adaptation, focusing on four morphological traits often shown to harbour large amounts of genetic variance and considered to be subject to limited evolutionary constraints. Our data set includes unique long-term data for seven bird species and a total of 10 populations. We estimate population-specific matrices of genetic correlations and multivariate selection coefficients to predict evolutionary responses to selection. Using Bayesian methods that facilitate the propagation of errors in estimates, we compare (1) the rate of adaptation based on predicted response to selection when including genetic correlations with predictions from models where these genetic correlations were set to zero and (2) the multivariate evolvability in the direction of current selection to the average evolvability in random directions of the phenotypic space. We show that genetic correlations on average decrease the predicted rate of adaptation by 28%. Multivariate evolvability in the direction of current selection was systematically lower than average evolvability in random directions of space. These significant reductions in the rate of adaptation and reduced evolvability were due to a general nonalignment of selection and genetic variance, notably orthogonality of directional selection with the size axis along which most (60%) of the genetic variance is found.

Conclusions: These results suggest that genetic correlations can impose significant constraints on the evolution of avian morphology in wild populations. This could have important impacts on evolutionary dynamics and hence population persistence in the face of rapid environmental change.