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The transcriptional basis of cold adaptation in drosophila melanogaster
The transcriptional basis of cold adaptation in drosophila melanogaster
The overarching goal of this thesis is to identify potential targets and signatures of cold adaptation in Drosophila melanogaster with a particular focus on regulatory evolution. The results can roughly be subdivided in three parts: In the first, I will present cold tolerance related phenotypes in different natural populations and illustrate to what extent they are influenced by environmental variations. Additionally, I will present phenotypic data regarding important life history traits and explore potential fitness trade offs. Two of the studied populations, namely the ones from Sweden and Zambia, exhibit a particularly diverging cold tolerance phenotype, which makes them suitable for the subsequent examination of the genetic basis of this trait difference. While the environment is the major factor influencing cold tolerance, the effects of hereditary adaptation and phenotypic plasticity are additive. Hence, differences between populations persist over a range of environmental conditions. Finally, increased cold tolerance of European strains is not associated with a decrease in reproductive output under standard laboratory conditions. The second part is based on the transcriptional response towards a cold shock, as measured via qPCR and RNAseq in cold tolerant and cold sensitive populations. Here, I will describe general patterns of the cold shock response and highlight population differences that potentially underlie cold adaptation. Furthermore, I will compare the expression data with a range of similar studies - 8 -to identify pervasive characteristics of the transcriptional cold shock response and regulatory adaptation to temperate environments. Irrespective of origin, the transcriptional cold shock response is above all characterized by the swift and massive upregulation of molecular chaperones. Signatures of gene- specific regulatory adaptation regarding the cold shock response are only subtle. However, European populations exhibit a decreased thermosensitivity of gene expression on a genome-wide scale. The third part is dedicated to functional analyses of candidate genes for cold tolerance. Here, I will report the phenotypic implications of lowered transcript levels for specific candidate genes by employing a genome-wide transgenic RNAi library. Contrary to previous studies, I could not demonstrate a definite phenotypic effect regarding cold tolerance after a single gene knockdown for a range of candidate genes. This further strengthens the conception of cold tolerance as a multigenic trait with presumably minor effect sizes for individual genes., Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist die Identifizierung von potentiellen Angriffspunkten und Charakteristiken der Kälteanpassung in Drosophila melanogaster unter besonderer Berücksichtigung regulatorischer Evolution. Die Ergebnisse können grob in drei Teile gegliedert werden: Im ersten Teil stelle ich die jeweiligen Kältetoleranz-Phänotypen in verschiedenen natürlichen Populationen dar und zeige auf, inwiefern diese von unterschiedlichen Umweltbedingungen beeinflusst werden. Zusätzlich präsentiere ich Daten bezüglich grundlegender Fitness-Parameter und erkunde mögliche Wechselwirkungen zwischen Kälteanpassung und Reproduktionserfolg. Von den untersuchten Populationen zeichnen sich in erster Linie diejenigen aus Schweden und Sambia durch eine stark abweichende Kältetoleranz aus und eignen sich hiermit in besonderem Maße für eine nachfolgende Analyse der genetischen Grundlage dieses Merkmalunterschieds. Die Umwelt ist der Faktor, welcher Kältetoleranz am stärksten beeinflusst, die Auswirkungen von ererbter und erworbener Anpassung sind jedoch additiv. Folglich haben phänotypische Unterschiede zwischen den Populationen über eine große Bandbreite verschiedener Umweltbedingungen Bestand. Die gesteigerte Kältetoleranz europäischer Fliegenlinien geht dabei unter Standardbedingungen nicht mit einem verminderten Fortpflanzungserfolg einher. Der zweite Teil beruht auf der durch qPCR und RNAseq gemessenen transkriptionellen Reaktion auf einen Kälteschock in kältetoleranten und - 10 -kälteempfindlichen Populationen. In diesem Teil beschreibe ich generelle Charakteristika der transkriptionellen Kälteschockreaktion und beleuchte Populationsunterschiede, welche der abweichenden Kälteanpassung zugrunde liegen könnten. Des Weiteren vergleiche ich die Expressionsdaten mit einer Reihe ähnlicher Studien um allgemeingültige Merkmale der Kälteschockreaktion und regulatorischer Anpassung an gemäßigte Klimazonen zu ermitteln. Ungeachtet der Herkunft ist die Kälteschockreaktion vor allem durch die schnelle und umfassende Hochregulierung molekularer Chaperone gekennzeichnet. Genspezifische Anzeichen für regulatorische Anpassung hinsichtlich der Kälteschockreaktion sind lediglich geringfügig ausgeprägt, jedoch weisen europäische Populationen genomweit betrachtet eine verminderte Temperaturempfindlichkeit betreffend ihrer Genexpression auf. Der dritte Teil behandelt die funktionelle Analyse von Kandidatengenen für Kältetoleranz. Hier untersuche ich die phänotypischen Auswirkungen erniedrigter Transkriptmengen für spezifische Kandidatengene unter Zuhilfenahme einer genomweiten transgenen RNAi-Kollektion. Im Gegensatz zu vorhergehenden Studien konnte ich keine eindeutigen phänotypischen Effekte bezüglich der Kältetoleranz nach einem genspezifischen Knockdown für eine Reihe von Kandidatengenen nachweisen. Dies unterstreicht die Auffassung von Kältetoleranz als einem komplexen Phänotyp mit mutmaßlich geringen Effektgrößen für einzelne Gene.
gene expression, cold adaptation, Drosophila melanogaster
Heckel, Korbinian von
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Heckel, Korbinian von (2017): The transcriptional basis of cold adaptation in drosophila melanogaster. Dissertation, LMU München: Faculty of Biology
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Abstract

The overarching goal of this thesis is to identify potential targets and signatures of cold adaptation in Drosophila melanogaster with a particular focus on regulatory evolution. The results can roughly be subdivided in three parts: In the first, I will present cold tolerance related phenotypes in different natural populations and illustrate to what extent they are influenced by environmental variations. Additionally, I will present phenotypic data regarding important life history traits and explore potential fitness trade offs. Two of the studied populations, namely the ones from Sweden and Zambia, exhibit a particularly diverging cold tolerance phenotype, which makes them suitable for the subsequent examination of the genetic basis of this trait difference. While the environment is the major factor influencing cold tolerance, the effects of hereditary adaptation and phenotypic plasticity are additive. Hence, differences between populations persist over a range of environmental conditions. Finally, increased cold tolerance of European strains is not associated with a decrease in reproductive output under standard laboratory conditions. The second part is based on the transcriptional response towards a cold shock, as measured via qPCR and RNAseq in cold tolerant and cold sensitive populations. Here, I will describe general patterns of the cold shock response and highlight population differences that potentially underlie cold adaptation. Furthermore, I will compare the expression data with a range of similar studies - 8 -to identify pervasive characteristics of the transcriptional cold shock response and regulatory adaptation to temperate environments. Irrespective of origin, the transcriptional cold shock response is above all characterized by the swift and massive upregulation of molecular chaperones. Signatures of gene- specific regulatory adaptation regarding the cold shock response are only subtle. However, European populations exhibit a decreased thermosensitivity of gene expression on a genome-wide scale. The third part is dedicated to functional analyses of candidate genes for cold tolerance. Here, I will report the phenotypic implications of lowered transcript levels for specific candidate genes by employing a genome-wide transgenic RNAi library. Contrary to previous studies, I could not demonstrate a definite phenotypic effect regarding cold tolerance after a single gene knockdown for a range of candidate genes. This further strengthens the conception of cold tolerance as a multigenic trait with presumably minor effect sizes for individual genes.

Abstract

Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist die Identifizierung von potentiellen Angriffspunkten und Charakteristiken der Kälteanpassung in Drosophila melanogaster unter besonderer Berücksichtigung regulatorischer Evolution. Die Ergebnisse können grob in drei Teile gegliedert werden: Im ersten Teil stelle ich die jeweiligen Kältetoleranz-Phänotypen in verschiedenen natürlichen Populationen dar und zeige auf, inwiefern diese von unterschiedlichen Umweltbedingungen beeinflusst werden. Zusätzlich präsentiere ich Daten bezüglich grundlegender Fitness-Parameter und erkunde mögliche Wechselwirkungen zwischen Kälteanpassung und Reproduktionserfolg. Von den untersuchten Populationen zeichnen sich in erster Linie diejenigen aus Schweden und Sambia durch eine stark abweichende Kältetoleranz aus und eignen sich hiermit in besonderem Maße für eine nachfolgende Analyse der genetischen Grundlage dieses Merkmalunterschieds. Die Umwelt ist der Faktor, welcher Kältetoleranz am stärksten beeinflusst, die Auswirkungen von ererbter und erworbener Anpassung sind jedoch additiv. Folglich haben phänotypische Unterschiede zwischen den Populationen über eine große Bandbreite verschiedener Umweltbedingungen Bestand. Die gesteigerte Kältetoleranz europäischer Fliegenlinien geht dabei unter Standardbedingungen nicht mit einem verminderten Fortpflanzungserfolg einher. Der zweite Teil beruht auf der durch qPCR und RNAseq gemessenen transkriptionellen Reaktion auf einen Kälteschock in kältetoleranten und - 10 -kälteempfindlichen Populationen. In diesem Teil beschreibe ich generelle Charakteristika der transkriptionellen Kälteschockreaktion und beleuchte Populationsunterschiede, welche der abweichenden Kälteanpassung zugrunde liegen könnten. Des Weiteren vergleiche ich die Expressionsdaten mit einer Reihe ähnlicher Studien um allgemeingültige Merkmale der Kälteschockreaktion und regulatorischer Anpassung an gemäßigte Klimazonen zu ermitteln. Ungeachtet der Herkunft ist die Kälteschockreaktion vor allem durch die schnelle und umfassende Hochregulierung molekularer Chaperone gekennzeichnet. Genspezifische Anzeichen für regulatorische Anpassung hinsichtlich der Kälteschockreaktion sind lediglich geringfügig ausgeprägt, jedoch weisen europäische Populationen genomweit betrachtet eine verminderte Temperaturempfindlichkeit betreffend ihrer Genexpression auf. Der dritte Teil behandelt die funktionelle Analyse von Kandidatengenen für Kältetoleranz. Hier untersuche ich die phänotypischen Auswirkungen erniedrigter Transkriptmengen für spezifische Kandidatengene unter Zuhilfenahme einer genomweiten transgenen RNAi-Kollektion. Im Gegensatz zu vorhergehenden Studien konnte ich keine eindeutigen phänotypischen Effekte bezüglich der Kältetoleranz nach einem genspezifischen Knockdown für eine Reihe von Kandidatengenen nachweisen. Dies unterstreicht die Auffassung von Kältetoleranz als einem komplexen Phänotyp mit mutmaßlich geringen Effektgrößen für einzelne Gene.