Author:

Keywords:

Visual pigments, Marine fish, Local adaptation, rhodopsin, Pomatoschistus minutus, Positive selection, Phylogeography, Population genetics, Candidate gene approach, Phylogeny

Abstract:

Lokale adaptatie is het proces waarbij individuen zich genetisch aanpassen aan lokale omgevingscondities als gevolg van natuurlijke selectie. Het begrijpen van de moleculaire basis van lokale adaptatie is biologisch van groot belang aangezien dit de rol van natuurlijke selectie in evolutie weergeeft. Daar genmigratie adaptieve divergentie tegengaat door zijn homogeniserend karakter, beweerden biologenvoor lange tijd dat lokale adaptatie zeldzaam is of zelfs helemaal afwezig in mariene organismen. Lokale adaptatie wordt steeds vaker beschreven in mariene organismen, wat een aanwijzing is dat natuurlijke selectie wel degelijk een belangrijke evolutionaire kracht kan zijn voor het leven in zee. De kennis van adaptieve evolutie in mariene organismen blijft beperkt ondanks het belang om het proces van evolutie in de zee te begrijpen. Het doel van deze thesis bestond erin om bij te dragen aan het huidig onderzoek over de sterkte van natuurlijke selectie als evolutionaire kracht in mariene organismen en over de spatiële en temporele schaal van adaptieve genetische variatie in mariene systemen.De reden voor het huidig gebrek aan kennis aangaande adaptieve evolutie in de zee is de schaarste aangenetische systemen om natuurlijke selectie te evalueren. Een van de weinige veel belovende modellen om de werking en het belang van selectie als evolutionaire kracht te begrijpen, is het afstemmingsmechanisme van de visuele pigmenten (VP) aan verschillende lichtcondities in mariene vertebraten. Dit model identificeert specifieke aminozuur-veranderingen die verantwoordelijk zijn voor de adaptatie aan specifieke omgevingsomstandigheden. Daarenboven hebben VPs een duidelijke rol in de natuur aangezien ze dieren toelaten verschillen in de fotische compositie van de omgeving te detecteren. Daardoor hebben VPs een sterk effect op de evolutie van organismen en zijn ze uitermate geschikt om adaptieve evolutie te bestuderen op moleculair niveau.In deze thesis werd een kandidaatgenanalyse gerealiseerd om lokale adaptatie aan te tonen op hetrodopsine (RH1) gen, het gen van het visuele pigment in de staafjes dat de spectrale sensitiviteit bepaald van het zicht in schemerlicht. Het dikkopje Pomatoschistus minutus (Gobiidae, Teleostei), een algemeen voorkomend bodemvis langs de Europese kusten, werd geselecteerd als studiesoort om de objectieven van de thesis te realiseren. De specifieke onderzoeksvraag luidt daarom: ‘Is visuele lokale adaptatie aanwijsbaar op het rodopsine gen van het dikkopje?’. Een specifieke benadering met vijf opeenvolgende stappen om lokale adaptatie aan te tonen in de natuur werd ontwikkeld om een antwoord te bieden op deze onderzoeksvraag.Eerst werd een fylogeografische en populatie genetische analyse van het dikkopje gerealiseerd met hoog kwalitatieve genotypes van neutrale merkers, namelijk mitochondriale en microsatelliet merkers. Een evolutionair scenario met een complexe populatiestructuur die temporeel stabiel is werd waargenomen voor P. minutus. Deze observatie toont de mogelijkheid aan dat sterke lokale selectie de effecten van drift en genmigratie kan overtreffen in deze soort. Daarenboven is de robuuste fylogeografische en populatiegenetische structuur een goede neutrale basis om de adaptieve populatie differentiatie op het kandidaatgen te identificeren.In de tweede stap werd de genetische basis bevestigd van de fenotypische verschillen in de maximale absorptie (λmax) van de staafjes tussen populaties van dikkopjes. Dit werd gerealiseerd door een uitgebreide sequentie analyse van het RH1 gen. Vijf aminozuren op RH1 waren polymorf; twee zijn gekend als cruciale aminozuren die de λmax waarden van de staafjes in vertebraten kunnen wijzigen. Bovendien werd vastgesteld dat de populaties van dikkopjes in de verschillende Europese mariene systemen van elkaar verschillen op basis van de functionele variatie van RH1.Ten derde werd aangetoond op basis van twee onafhankelijke benaderingen dat de verschillen tussen depopulaties voor de functionele variatie op het RH1 gen beïnvloed zijn door natuurlijke selectie en niet alleen door neutrale processen. Sequentie gebaseerde neutraliteits testen toonden een ondubbelzinnig en significant signaal aan van positieve Darwiniaanse selectie op het RH1 gen. Daarnaast toonde de vergelijking van de geografische verspreiding van de rodopsine variatie met de fylogeografische en populatiegenetische structuur van de dikkopjes een signaal aan van natuurlijke selectie op RH1.In de vierde stap werd een duidelijk verband aangetoond tussen de functionele variatie op het RH1gen en het selectie regime dat de populaties van dikkopjes ervaren in de verschillende mariene systemen. De robuuste verschillen in de lokale maximale licht transmissie tussen de mariene systemen zijn in overeenstemming met de verschillen in de absorptie-spectra van de staafjes en met de temporeelstabiele verschillen op de functionele variatie van het RH1 gen. Het is duidelijk dat op basis van de RH1 variatie de populaties van P. minutus zich groeperen volgens de fotische condities van hun habitat enniet volgens historische en geografische verwantschap.In de laatste stap werd d.m.v. een fylogenetische analyse adaptieve moleculaire evolutie op hetrodopsine gen aangetoond tussen verwante soorten van het dikkopje die in verschillende fotische omgevingen voorkomen op basis van saliniteit en diepte. Doordat deze verwante soorten evolutionair aangepast zijn aan hun fotische habitat op het RH1 gen en dat soorten met een gelijkaardig selectie-regime analoge genetische patronen vertonen op het RH1 gen, zijn de argumenten versterkt dat selectie op het kandidaatgen ook de huidige populatiestructuur van P. minutus beïnvloedt.Uiteindelijk zijn alle vijf stappen vervuld om lokale adaptatie op het rodopsine gen aan te tonen. Daardoor is er een duidelijke aanwijzing voor visuele lokale adaptatie in het dikkopje. De rodopsine studie bij het dikkopje toont aan dat de moleculaire basis van adaptatie van proteïnen kan voorkomen door aminozuur vervangingen op een beperkt aantal belangrijke plaatsen in het gen. Daarenboven toont het ook de relatief hoge snelheid aan van evolutionaire veranderingen via selectie op zowel nieuwe als permanente variatie. Hoe sterk de indicaties ook zijn voor visuele lokale adaptatie in P. minutus, nieuwe analyses moeten deze resultaten valideren, waaronder transplantatie experimenten om de relatieve fitness van individuen van verschillende populaties in een zelfde omgeving te meten. Niettemin is het geobserveerde patroon voor rodopsine in de huidige stand van de wetenschap een van de sterkste genetische aanwijzingen voor natuurlijke selectie bij mariene organismen. Verscheidene signalen van natuurlijke selectie waren reeds eerder waargenomen in mariene organismen maar het was steedsmoeilijk om te weten waarvoor geselecteerd werd. Deze rodopsine studie suggereert dan ook dat lokale adaptatie in zee mogelijk is en dat selectie de functie en de patronen in de zee kan verklaren.Een belangrijk gevolg van de evolutionaire adaptatie aan de lichtomgeving is dat snelle veranderingenin de mariene fotische omstandigheden door menselijke activiteiten, negatieve gevolgen kunnen hebben voor het dikkopje en andere organismen. Als mariene vissen niet de mogelijkheid hebben om zich fysiologisch aan te passen aan nieuwe condities, dan kan dit de zoektocht naar voedsel en de voortplanting sterk beïnvloeden. Bijgevolg is het belangrijk om veranderingen in waterhelderheid te beschouwen in de huidige opvolgingsprogramma’s die mariene ecosysteem-veranderingen in kaart brengen. Daarenboven toont de rodopsine studie aan dat adaptieve variatie een belangrijk onderdeel is van de intraspecifieke biodiversiteit in mariene soorten. Aangezien neutrale genetische data vaakfalen in de aanduiding van lokaal aangepaste populaties, betekent dit dat het huidige mariene beheer, dat nog grotendeels gebruik maakt van neutraal genetische data, verkeerde beheerseenheden kan identificeren, met een erosie van de genetische variatie als gevolg. Daardoor is het noodzakelijk dat ookgenetische informatie van adaptieve kenmerken wordt betrokken bij het beheer van mariene visbestanden.Ten slotte zijn al deze vaststellingen een aanmoediging om analoge studies te verrichten naar de mogelijkheid van lokale adaptatie aan andere mariene omgevingsfactoren zoals het zoutgehalte en detemperatuur. Zo’n onderzoek kan de algemeenheid en intensiteit verduidelijken in welke mate natuurlijke selectie de evolutie van het leven in zee stuurt.