To reveal the genotype-phenotype correlation during evolution, “Fitness Landscape” concept has been proposed. This shape was suggested to be rugged due to the epistatic interaction between genes and fitness trade-offs in bacteria (Rugged Fitness Landscape). However, when bacteria adapt to multiple conditions serially, the fitness landscape had not been understood. To identify the fitness landscape in serial adaptation, E. coli MG1655 was sequentially adapted to glycerol and lactate in different orders during Serial Adaptive Laboratory Evolution (ALE) for 1400~1600 generations. The phenotype of E. coli in glycerol and lactate which evolved during the Serial ALE depends on the order of serial adaptation. To identify the genotype related to this phenotype, population genome sequencing was performed. Then, only 10 mutations appeared at glycerol-lactate Serial ALE, however, 206 mutations were found at lactate-glycerol Serial ALE and they caused by unexpected mutation of mutT. Its hypermutable effect was considered to occur a phenotypic difference in the order of serial adaptation by increasing mutant pools. Although the hypermutator phenotype of lactate-glycerol Serial ALE, repeated mutations were found during whole Serial ALE through population genome sequencing at 50 generation intervals and they were order-independent and carbon-specific. Glycerol-specific mutation, glpK and lactate-specific mutations, ppsA, ydcI, and rph were identified and their effects were confirmed by reverse engineering and precedent research data. In contrast, there was no repeated mutation depending on the only order of Serial adaptation. In summary, the phenotype can be influenced by the order of serial adaptation, however, the carbon-specific genotypes change the phenotype regardless of the order. The fitness landscape in serial adaptation is order-independent.
진화과정 중 유전자형과 표현형의 관계를 밝히기 위해서 “적응도 지형”이라는 메타포가 사용되어 왔습니다. 미생물에서 적응도 지형은 유전자간의 상위성과 적응도의 취사선택(Fitness trade-offs)에 의해 울퉁불퉁하다고 제안되어 왔습니다. 그러나 미생물이 다양한 환경에서 연속적으로 적응할 때의 적응도 지형에 대해서는 연구가 되어있지 않습니다. 따라서 연속 적응 시의 적응도 지형을 이해하기 위해서 야생형 대장균 MG1655를 글리세롤과 락테이트에서 두 가지 순서로 연속 적응 실험실 진화를 이용하여 1400~1600 세대동안 진화시켰습니다. 연속 적응 실험실 진화 결과, 글리세롤과 락테이트에서의 표현형이 연속 적응의 순서에 따라 다르다는 것을 확인했습니다. 따라서 이 표현형을 야기한 유전자형을 확인하기 위해서, 개체군 유전체 시퀀싱을 진행했습니다. 그 결과, 글리세롤-락테이트 연속 적응 실험실 진화에서는 오직 10개의 돌연변이만 나타난 반면, 락테이트-글리세롤 연속 적응 실험실 진화에서는 206개의 돌연변이를 찾을 수 있었고, 이는 예상치 못한 mutT의 돌연변이에 의한 것이었습니다. 이것의 초돌연변이 효과가 돌연변이 집단을 증가시켜서 연속 적응의 순서에 따른 표현형의 차이를 야기했다고 여겨졌습니다. 이러한 초돌연변이 효과에도 불구하고, 50세대 간격으로 개체군 유전체 시퀀싱을 통해, 순서에 비의존적이고 특정 탄소에서만 반복적으로 나타나는 돌연변이들을 전체 연속 적응 진화과정에서 찾아볼 수 있었습니다. 글리세롤에 특이적인 glpK 돌연변이와 락테이트에 특이적인 ppsA, ydcI, rph를 찾을 수 있었고, 이들의 효과를 역돌연변이 엔지니어링 실험과 선행연구로 검증할 수 있었습니다. 반면에 오직 연속 적응의 순서에 의존적인 돌연변이는 찾아볼 수 없었습니다. 요약하자면, 표현형은 여러가지 예상치 못한 이유로 연속 적응의 순서에 영향 받을 수 있으나, 탄소 특이적인 유전자형이 순서에 상관없이 표현형을 변화시킵니다. 따라서 연속 적응 시의 적응도 지형은 순서에 독립적입니다.