Anpassung an hohe Dichte von Drosophila Populationen

Hohe Populationsdichten haben einen Einfluss auf das Wachstum und den Zusammenbruch von Populationen. Wegen dieser Dynamiken waren Evolutionsbiologen schon seit langer Zeit an diesem Thema interessiert. In Drosophila ist sehr gut dokumentiert, dass es möglich ist sich an hohe Populationsdichten anzupassen, doch ist die genetische Grundlage dafür noch nicht verstanden. In diesem Projekt verwenden wir die innovative Kombination von experimenteller Evolution, genomischer Sequenzierung und Genexpressionsanalysen um die Anpassungsmechanismen zu verstehen. Es werden hoch variable Populationen unterschiedlicher Dichte ausgesetzt und die evolutionäre Response wird Aufschlüsse über die Anpassungsmechanismen liefern. Mit diesem Projekt werden neue Erkenntnisse über die Auswirkungen von hohen Populationsdichten gewonnen werden, die Bedeutung über Drosophila hinaus haben.

Insektenpopulationen unterscheiden sich häufig in der Anzahl von Larven im Futter (Larvendichte), was auf die unterschiedliche Verfügbarkeit von Nahrung und Substrat für die Eiablage zurückzuführen sind. Unterschiedliche Larvendichten führen zu einer plastischen phänotypischen Reaktion der erwachsenen Tiere. Dieses Muster kann bei verschiedenen Drosophila Arten beobachtet werden. Dieses Projekt verfolgte zwei Ziele. Erstens haben wir die plastische Reaktion verschiedener D. simulans Populationen auf eine hohe Larvendichte untersucht. Zweitens untersuchten wir die adaptive Reaktion auf unterschiedliche Dichte von Larven. Wir konnten zeigen, dass sich die erwachsenen Fliegen bei hohen Larvendichten über einen viel größeren Zeitraum schlüpfen als bei niedrigen Dichten. Anhand von Genexpressions- und phänotypischen Analysen zeigten wir, dass sich die Fliegen, die sich an verschiedenen Tagen schlüpfen, voneinander unterscheiden. Interessanterweise unterschied sich die Genexpression als Reaktion auf die Dichte der Larven in den natürlichen Populationen von D. simulans. Obwohl ähnliche GO-Kategorien angereichert wurden, unterschieden sich die Reaktionsnormen der einzelnen Gene zwischen den natürlichen D. simulans Populationen. Wir führen dies auf genetische Redundanz zurück, was bedeutet, dass die Expression verschiedener Gensätze für die Aufrechterhaltung der phänotypischen Stasis bei hoher Larvendichte in verschiedenen D. simulans Populationen verantwortlich ist. Bei Fliegen, die sich unter entweder unter hoher oder niedriger Larvendichte entwickelt haben, ist die Fitness im Vergleich Ausgangspopulation gestiegen, was höchstwahrscheinlich eine Anpassung an Laborbedingungen widerspiegelt. Unter niedriger Dichte waren Fliegen, die in niedriger Dichte evolviert sind, fitter als solche mit hoher Dichte, was auf eine Anpassung an die Dichtebedingungen hindeutet. Unter hoher Dichte war die Anpassung an die Laborbedingungen ebenfalls zu beobachten. Doch darüber hinaus war der relative Vorteil der Fliegen vom Zeitpunkt des Schlüpfens abhängig. Fliegen, die am ersten Tag geschlüpft sind hatten eine höhere Fitness wenn sie unter niedriger Dichte evolviert waren. Unter den Fliegen, die am zweiten Tag schlüpften wurde kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Kohorten festgestellt. Bei den Fliegen, die am dritten Tag geschlüpft sind, war die unter hoher Dichte evolvierte Kohorte fitter. Ein weiterer Beweis für die Anpassung an Laborbedingungen ist die geringere Eigröße der evolvierten Populationen, die sich unabhängig von den Versuchsbedingungen nicht zwischen den beiden evolvierten Kohorten unterscheidet. Auf genomischer Ebene fanden wir nur eine sehr wenige SNPs die in beiden Kohorten ein Selektionssignal zeigten-die meisten selektierten SNPs waren spezifisch für eines der beiden Dichte Regime. Interessanterweise waren die Allelfrequenzänderungen unter hoher Larvendichte stärker als bei geringer Larvendichte, was bei letzteren zu einer größeren geschätzten effektiven Populationsgröße führte. Unsere Analysen zeigten, dass die Laboranpassung ein wichtiger Faktor in dem Experiment war. Dennoch haben wir Unterschiede in den Fitnesskomponenten zwischen den beiden entwickelten Kohorten festgestellt. Insbesondere unter hoher Larvendichte wurden die Unterschiede zwischen den beiden evolvierten Kohorten deutlich. Dieses Beobachtung unterstützt die Hypothese, dass hohe Larvendichte einen größeren Stress verursachen als niedrige Dichte.