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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-94183
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9418/


Intraspecific phenotypic variation and its genetic basis in Daphnia

Intraspezifische phänotypische Variation und deren genetische Basis in Daphnia

Tams, Verena

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Freie Schlagwörter (Englisch): phenotypic plasticity , life history traits , predator-induced response , gene expression , genome-wide association , Daphnia
Basisklassifikation: 42.21
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Cordellier, Mathilde (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.10.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 30.11.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Organismen leben in einer dynamischen und häufig herausfordernden Welt. Wechselnde Umweltbedingungen zu bewältigen, ist eine wesentliche Fähigkeit von Organismen um ihr Überleben zu sichern und somit eine wichtige Fähigkeit, diese an ihre Nachkommen weiterzugeben. Organismen entwickelten eine Reihe verschiedener Mechanismen wie z. B. Veränderungen in der Morphologie, ihrem Verhalten oder in Merkmalen ihrer Lebensgeschichte ('life history traits') um Umweltveränderungen zu bewältigen. Diese phänotypisch plastischen Antworten ermöglichen den Lebewesen, sich schnell einen neuen Lebensstil anzueignen, wenn eine neue Umweltsituation eintritt. Phänotypisch plastische Antworten auf Prädatoren wurden für den ökologischen und genomischen Modellorganismus Daphnia berichtet. Dieser ist ein Zooplankter, der als Weidegänger im Süsswasser eine Schlüsselposition in aquatischen Nahrungsnetzen einnimmt. Allerdings
wurde bisher die Variabilität innerhalb von Daphnia-Populationen selten explizit
adressiert. Des Weiteren ist die genetische Basis dieser Räuber-induzierten Antworten
bisher nicht gut verstanden.
Die vorgelegte Arbeit hat zum Ziel, die intraspezifische phänotypische Variation sowie ihre genetische Basis in der europäischen Art Daphnia galeata zu untersuchen. 'life history traits' von insgesamt 24 klonalen Linien wurden in An- und Abwesenheit von
Fischkairomonen dokumentiert und zeigten hohe intraspezifische phänotypische Variation innerhalb und zwischen den vier untersuchten D. galeata Populationen. Die Ergebnisse zeigten weiter, dass das Potential zur lokalen Anpassung an die Anwesenheit von Prädatoren gegeben ist und dass Fischkairomone einen Einfluss auf die Morphologie von D. galeata haben. Um Licht ins Dunkel der genetischen Basis von Räuber-induzierten Antworten zu bringen, wurden Transkriptionsprofile von zwei klonalen Linien, die Fischkairomonen ausgesetzt waren, erstellt und Kandidaten-Transkripte identifiziert, die in Räuber-induzierte Veränderungen von 'life history traits' involviert waren. Die differenzierende Genexpressionsanalyse zeigte eine hohe Varianz zwischen den klonalen Linien, die die konträre Strategie der 'life history traits' reflektiert. Insgesamt wurden 125 unterschiedlich exprimierte Transkripte in der Anwesenheit von Fischkairomonen identifiziert. Die zusätzliche Gen-Co-Expressionsanalyse identifizierte Gruppen von eng verbunden Transkripten (Module), die genetische Pfade in Räuber-induzierten Antworten aufzeigen. Sie beinhalten Transkripte, die in der Remodellierung der Kutikula, in Wachstum und Verdauung involviert sind. Bei der Anwendung einer genom-weiten Assoziationsanalyse auf die Genotypen und Phänotypen der 24 untersuchten klonalen Linien wurden zwei 'life history traits' entdeckt, die eine genetische Basis auf der Sequence Ebene in der An- und Abwesenheit von Räubern hat. Des Weiteren identifizierte die GenCo-Expressionsanalyse 44 Module, von dem eines mit dem 'life history trait' Gesamtanzahl von Bruten korrelierte. Durch Integration einer transkriptom-weiten Assoziationsanalyse und einer Gen-Co-Expressionsanalyse konnte eine Liste mit 156 Kandidaten-Transkripten erstellt werden. Um das Verständnis der funktionalen Rolle der Transkripte zu verbessern, wurden orthologe und paraloge Transkripte von verwandten Arten hinzugezogen und gemeinsame Gruppen orthologer Transkripte verwendet, um interessante Kandidaten
Transkripte zu annotieren.
Dieser integrative Ansatz von verschiedenen Methoden bestärkte, dass die Identität einer klonale Linie an sich wichtig ist, sowohl auf phänotypischer als auch genetischer Ebene. Dies wurde in den 24 untersuchten klonalen Linien der europäischen Daphnia galeata gezeigt, die dem Risiko einem Räuber zu begegnen ausgesetzt waren. Die Daten dieser Doktorarbeit stellen wertvolle Information über Räuber-induzierte Antworten in Daphnia zur Verfügung, während sie gleichzeitig wesentlich zum Verständnis der Bedeutung der genetischen Basis zur intraspezifischen phänotypischen Variation beiträgt.
Kurzfassung auf Englisch: Organisms live in a dynamic and often challenging world. Coping with stress due to
environmental changes is a vital skill for organisms to ensure their survival as well as a valuable capability to pass on to their progeny. Organisms evolved a variety of
mechanisms such as changes in morphology, life history traits or behavior to cope with environmental changes. These phenotypic plastic responses allow organisms to rapidly adjust their lifestyle to a new environmental situation. Phenotypic plastic responses to vertebrate and invertebrate predators are reported for the ecological and genomic model organism Daphnia, a grazing freshwater zooplankter occupying a key position within aquatic food webs. However, the inter- and intra-population variation in Daphnia is rarely addressed explicitly. Furthermore, the genetic basis of these predator-induced responses is not well understood.
The present thesis aims to assess the intraspecific phenotypic variation and its genetic basis in European Daphnia galeata. Life history traits were recorded in the presence and absence of fish kairomones for a total of 24 clonal lines consisting of four populations with six clonal lines each. High intraspecific phenotypic variation was revealed within and between all four D. galeata populations. In addition, the potential to locally adapt to a vertebrate predator regime as well as an effect of the fish kairomones on morphology of D. galeata was investigated. To bring light into the genetic level of predator-induced response, the transcriptional profile of two D. galeata clonal lines exposed to fish kairomones were established identifying candidate transcripts being involved in predatorinduced shifts of life history traits. The differential gene expression analysis revealed a surprisingly high variance between clonal lines reflecting their opposing life history strategies. A total of 125 differentially expressed transcripts (DETs) were identified to be related to fish kairomone exposure. The additional gene co-expression network analysis identified clusters of tightly linked transcripts. Genetic pathways of predator-induced responses were thereby revealed including transcripts being involved in remodeling of the cuticle, growth and digestion. By applying a genome-wide association approach to genotypes and phenotypes of all 24 clonal lines, two life history traits were discovered to have a genetic basis at sequence level in the presence and absence of fish kairomones.
Furthermore, a gene co-expression network analysis of all 24 clonal lines in the absence of fish kairomones identified 44 gene clusters of which one module correlated to one life history trait, the total number of broods. By integrating a transcriptome-wide association analysis and a gene co-expression analysis a list of 156 candidate transcripts was established. To enhance the understanding of the functional roles of the transcripts, orthologs and paralogs from related species were identified using common ontologies to annotate the candidate transcripts of interest.
Interestingly, the integrative approach emphasized the importance of the identity of a
clonal line both at the phenotypic and genetic level in the studied 24 clonal lines of
European D. galeata in an environment of predation risk. The data of the present thesis provides valuable information for predator-induced responses in Daphnia, while contributing substantially to our understanding of the genetic basis of intraspecific phenotypic variation.

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