The rarity of mutations and the inflation of bacterial effective population sizes

Mutations are fundamental for evolution, and their mathematical modelling in population genetics heavily relies on our perception of their frequency and the timescale over which they occur. A common assumption is that mutations are infrequent, so when a new mutation arises, the previous one has either become fixed or lost. This assumption implies that mutations occur exclusively at fixed sites and is referred to as the boundary mutation model. However, one can alternatively assume a recurrent mutation model, which additionally considers mutations contributing to shifts in allele frequency. In this study, we compare these two models. By examining mutation rates and effective population sizes across the Tree of Life, we demonstrate that the boundary mutation model remains valid for most species but significantly deviates in bacteria. Our analyses further reveal that the boundary mutation model tends to overestimate the effective population size, particularly in bacteria, where estimated population sizes can be more than five times larger than those expected by the recurrent mutation model. We address these biases by proposing a Bayesian estimator for population size that accounts for recurrent mutations. To illustrate how mutation models can influence the quantification of forces other than drift, we further present a case study showing that the boundary mutation model exaggerates the intensity of selective constraints acting on the three codon positions of the bacterium Pseudomonas fluorescens. This study emphasizes the importance of considering recurrent mutations in highly diverse species for accurate population genetics inference. As muta & ccedil;& otilde;es s & atilde;o fundamentais para a evolu & ccedil;& atilde;o, e a sua modela & ccedil;& atilde;o matem & aacute;tica em gen & eacute;tica populacional depende da perce & ccedil;& atilde;o da sua frequ & ecirc;ncia e da escala temporal em que ocorrem. Uma suposi & ccedil;& atilde;o comum & eacute; que as muta & ccedil;& otilde;es s & atilde;o infrequentes, de modo que, quando surge uma nova muta & ccedil;& atilde;o, a anterior j & aacute; se ter & aacute; fixado ou desaparecido da popula & ccedil;& atilde;o. Esta suposi & ccedil;& atilde;o implica que as muta & ccedil;& otilde;es ocorrem exclusivamente quando a popula & ccedil;& atilde;o est & aacute; fixa para um alelo, sendo conhecida como o modelo de muta & ccedil;& atilde;o fronteira. No entanto, & eacute; possvel assumir, alternativamente, um modelo de muta & ccedil;& atilde;o recorrente, que considera adicionalmente a contribui & ccedil;& atilde;o das muta & ccedil;& otilde;es para as altera & ccedil;& otilde;es nas frequ & ecirc;ncias al & eacute;licas. Neste estudo, comparamos estes dois modelos. Ao analisar as taxas de muta & ccedil;& atilde;o e os tamanhos populacionais efetivos de v & aacute;rias esp & eacute;cies ao longo da & Aacute;rvore da Vida, demonstramos que o modelo de muta & ccedil;& atilde;o fronteira & eacute; v & aacute;lido para a maioria das esp & eacute;cies, mas apresenta desvios significativos em bact & eacute;rias. As nossas an & aacute;lises revelam ainda que o modelo de muta & ccedil;& atilde;o fronteira tende a sobrestimar o tamanho populacional efetivo, particularmente em bact & eacute;rias, onde os tamanhos populacionais estimados podem ser mais de cinco vezes superiores aos esperados pelo modelo de muta & ccedil;& atilde;o recorrente. Para corrigir estes enviesamentos, propomos um estimador Bayesiano para o tamanho populacional efetivo que incorpora muta & ccedil;& otilde;es recorrentes. Para ilustrar como os modelos de muta & ccedil;& atilde;o podem influenciar a quantifica & ccedil;& atilde;o de for & ccedil;as para al & eacute;m da deriva gen & eacute;tica, apresentamos um estudo de caso que mostra que o modelo de muta & ccedil;& atilde;o fronteira exagera a intensidade das restri & ccedil;& otilde;es seletivas que atuam sobre as tr & ecirc;s posi & ccedil;& otilde;es dos cod & otilde;es da bact & eacute;ria Pseudomonas fluorescens. Este estudo enfatiza a import & acirc;ncia de considerar muta & ccedil;& otilde;es recorrentes em esp & eacute;cies altamente diversas para obter infer & ecirc;ncias mais precisas em gen & eacute;tica populacional.

University of St Andrews