Stofnerfðamengjafræði samhliða þróun íslenskrar bleikju - verkefni lokið
Fréttatilkynning verkefnisstjóra
Er unnt að spá fyrir um þróunarferli? Leiðir aðlögun að tilteknum, nýstárlegum aðstæðum á mörgum aðskildum stöðum til svipaðrar niðurstöðu, t.d. sams konar breytinga í lögun, lífsferlum (parallelism) og endurspegla slíkar aðlaganir náttúrulegt val á sömu genum (genetic parallelism) eða eru erfðabreytingarnar mismunandi á mismunandi stöðum? Hversu stóran þátt svipfarsbreytileika í mismunandi stofnum má rekja til sveigjanleika í þroskun og atferli? Þetta eru lykilspurningar í þróunarfræði sem skipta máli í allri umræðu um tilurð og viðhald líffræðilegs fjölbreytileika.
Bleikjan (Salvelinus alpinus) er tegund sem er einkar hentug til rannsókna á þessu sviði en hún hefur aðlagast margbreytilegum vistum á norðurslóðum og býr einnig yfir verulegum sveigjanleika í eignleikum er snerta lífsferil og útlit. Sjógöngubleikja nam land í íslenskum vötnum í kjölfarið á hopun ísaldarjökulsins fyrir u.þ.b.10-11 þús. árum en síðan þá hafa þróast margs konar form. Í þessu sambandi má nefna mjög smávaxna bleikju sem einkum er að finna í köldum lindum á eldvirka beltinu svo og sem eitt af tveimur eða fleiri afbrigðum í vötnum. Þróun hinnar smávöxnu bleikju á fjölmörgum, oft einangruðum stöðum virðist lýsandi dæmi um samhliða þróun (parallel evolution) sem endurspeglast m.a. í smæðinni, ungæðislegu útliti og felulitum.
Meginmarkmið rannsókna okkar er að kanna að hve miklu leyti má rekja þessa aðlögun til breytinga í erfðamengi og þá hvaða gen koma við sögu. Við nálgumst þessar spurningar með því að bera saman svipfars- og erfðagögn einstaklinga úr smábleikjustofnum og viðmiðunarstofnum (ýmist sjógöngubleikja eða vatnableikja). Svipfarsgögnin ná til sköpulags og lífssöguþátta, svo sem stærðar og aldurs við kynþroska. Erfðagögnin eru fengin með raðgreiningu hluta erfðamengisins (s.k. ddRAD-raðgreining). Við höfum nú greint erfðabreytileika úr 26 smábleikjustofnum og 12 viðmiðunarstofnum. Almennt aðgreinast stofnarnir mjög vel og greining á skyldleika þeirra bendir til þess að bleikjan hafi numið land tiltölulega fljótt eftir að ísaldarjökullinn hörfaði og að sumir stofnar hafi einangrast fyrir ofan fossa og þróast þar án frekari erfðablöndunar í langan tíma. Gögnin sýna því á óyggjandi hátt að smábleikjur hafa þróast endurtekið hérlendis, en fyrir liggur í framtíðinni að kanna hvort fínni blæbrigði í formi tengist vissum búsvæðum eða aðstæðum?
Nú stendur fyrir dyrum að kanna nánar að hve miklu leyti ytri mældir svipfarsþættir (t.d. lögun tiltekina líkamshluta) sýna samhliða breytingar. Í framhaldi af því munum við kanna hvort tilteknar samhliða (eða einstakar) breytingar tengjast breytileika í þeim hluta erfðamengisins sem upplýsingar okkar ná til. Þá munum við nýta okkur birt gögn um erfðamengi bleikju og okkar eigin gögn um tjáningarmengi til að benda á gen og stjórnraðir sem hugsanlega tengjast ofangreindum samhliða breytingum í svipfari. Með þessu getum við í framhaldinu svarað spurningunni um hvort samhliða þróun í dvergbleikjustofnum á Íslandi sé að einhverju leyti val á sömu genum, eða hvort samhliða þróun smárra bleikja hafi orðið fyrir tilstuðlan ólíkra gena og ferla.
Við væntum þess að verkefnið verði til þess að auka skilning á þeim ferlum aðlögunar að nýstárlegum umhverfisaðstæðum. Þá lítum við einnig svo á að verkefnið veiti nýja sýn á eðli líffræðilegs fjölbreytileika í íslenskri náttúru.
English:
Can evolution be predicted? Does adaptation to similar novel environments in isolated populations yield similar “solutions” (phenotypic parallelism), e.g. in morphology, physiology and life history characteristics? Do such parallel phenotypic changes reflect selection on the same genes and developmental pathways (genetic parallelism)? To what extent are parallel phenotypic changes due to plasticity? These are fundamental questions in evolutionary biology that and should also be at the centre of conservation issues relating to the origin and maintenance of biological diversity.
The Arctic charr (Salvelinus alpinus) is a species is particularly well suited to studies of recent adaptation. It has spread to various freshwater habitats in the high north and sports high phenotypic variability and plasticity relating to morphology and life history. Arctic char colonized Icelandic freshwaters as the ice-cap retreated 10-11 thousand years ago and since then many different forms have evolved. One of these is a small form which is wide spread in cold springs in the neo-volcanic zone but can also be found lakes with other larger forms. The presence of this small form in multiple often isolated spring-water sites seems a perfect example of parallel evolution affecting various traits such as life history and morphology.
The overarching goal of our studies is to assess to what extent key phenotypic changes of the small sized charr are due to genetic changes and what genes and developmental pathways are involved. We approach these questions by comparing phenotypes and genotypes within and among populations of small charr and reference populations (both anadromous and resident). The phenotypic data include information on external morphology and life history, e.g. size and age at sexual maturation. The genetic data come from sequencing a standard sample of the genome (ddRAD sequencing). At present we have analysed sequence variation (SNPs) from 26 small charr populations and 12 reference populations. In general charr populations are genetically distinct but geographic patterns of relatedness are weak the highest degree of differentiation seen in headwater populations presently isolated by impassable barriers, e.g. impassable waterfalls. This suggests an early phase of colonization whereby a multitude of populations were established, some of which became isolated above waterfalls. Some of these headwater populations have presumably adapted to cold spring water habitats without gene flow for a long time. Thus, the data clearly show that small arctic char have evolved repeatedly in spring water habitats. To what extent variation among populations of small charr relates to environmental variation on smaller local scales awaits further analyses and studies.
Presently we are analysing the phenotypic data assessing amongst other things to what extent phenotypic characteristics, apart from small size, show parallelism. We will then survey the genomic data for variations that relate to parallel or non-parallel changes in the phenotypes of small charr. We will utilize published data on the genome of Arctic charr and our own data on the developmental transcriptome of contrasting charr morphs to point to potential genes and developmental pathways that may relate to the parallel changes seen in the small charr. This will enable us to tackle key questions on the nature of adaptive processes, e.g. if parallel adaptation in small charr is reflected in parallel genetics or caused by changes in different genes and pathways.
We expect the project to advance our understanding of the processes of adaptation to novel environments. We also view it as important in presenting new aspects of biodiversity in the Icelandic freshwater fauna.
Heiti verkefnis: Stofnerfðamengjafræði
samhliða þróun íslenskrar bleikju/Population
genomics of parallel evolution in Icelandic arctic charr
Verkefnisstjóri: Sigurður S. Snorrason, Háskóla Íslands
Tegund styrks: Verkefnisstyrkur
Styrktímabil: 2015-2017
Fjárhæð styrks: 33,48 millj. kr. alls
Tilvísunarnúmer Rannís:
152536
