Evolutionary Adaptation to Climate in Microtine Mammals
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Evolutionary adaptation to climate in microtine mammals ____________________________________ Remco Folkertsma Univ.-Diss. zur Erlangung des akademischen Grades “doctor rerum naturalium” (Dr. rer. nat) in der Wissenschaftsdisziplin “Evolutionsgenetik” eingereicht an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät Institut für Biochemie und Biologie der Universität Potsdam Datum der Disputation: 31. August 2020 Haubtbetreuer: Prof. Dr. Michael Hofreiter (University of Potsdam) Zweitbetreuer: Prof. Dr. Jana A. Eccard (University of Potsdam) Weitere Gutachter: Prof. Dr. Jeremy Searle (Cornell University) Prof. Dr. Michael T. Monaghan (Leibniz IGB) Published online on the Publication Server of the University of Potsdam: https://doi.org/10.25932/publishup-47680 https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476807 Summary 1 Summary Understanding how organisms adapt to their local environment is a major focus of evolutionary biology. Local adaptation occurs when the forces of divergent natural selection are strong enough compared to the action of other evolutionary forces. An improved understanding of the genetic basis of local adaptation can inform about the evolutionary processes in populations and is of major importance because of its relevance to altered selection pressures due to climate change. So far, most insights have been gained by studying model organisms, but our understanding about the genetic basis of local adaptation in wild populations of species with little genomic resources is still limited. With the work presented in this thesis I therefore set out to provide insights into the genetic basis of local adaptation in populations of two voles species: the common vole (Microtus arvalis) and the bank vole (Myodes glareolus). Both voles species are small mammals, they have a high evolutionary potential compared to their dispersal capabilities and are thus likely to show genetic responses to local conditions, moreover, they have a wide distribution in which they experience a broad range of different environmental conditions, this makes them an ideal species to study local adaptation. The first study focused on producing a novel mitochondrial genome to facilitate further research in M. arvalis. To this end, I generated the first mitochondrial genome of M. arvalis using shotgun sequencing and an iterative mapping approach. This was subsequently used in a phylogenetic analysis that produced novel insights into the phylogenetic relationships of the Arvicolinae. The following two studies then focused on the genetic basis of local adaptation using ddRAD- sequencing data and genome scan methods. The first of these involved sequencing the genomic DNA of individuals from three low-altitude and three high-altitude M. arvalis study sites in the Swiss Alps. High-altitude environments with their low temperatures and low levels of oxygen (hypoxia) pose considerable challenges for small mammals. With their small body size and proportional large body surface they have to sustain high rates of aerobic metabolism to support thermogenesis and locomotion, which can be restricted with only limited levels of oxygen available. To generate insights into high-altitude adaptation I identified a large number of single Summary 2 nucleotide polymorphisms (SNPs). These data were first used to identify high levels of differentiation between study sites and a clear pattern of population structure, in line with a signal of isolation by distance. Using genome scan methods, I then identified signals of selection associated with differences in altitude in genes with functions related to oxygen transport into tissue and genes related to aerobic metabolic pathways. This indicates that hypoxia is an important selection pressure driving local adaptation at high altitude in M. arvalis. A number of these genes were linked with high-altitude adaptation in other species before, which lead to the suggestion that high-altitude populations of several species have evolved in a similar manner as a response to the unique conditions at high altitude The next study also involved the genetic basis of local adaptation, here I provided insights into climate-related adaptation in M. glareolus across its European distribution. Climate is an important environmental factor affecting the physiology of all organisms. In this study I identified a large number of SNPs in individuals from twelve M. glareolus populations distributed across Europe. I used these, to first establish that populations are highly differentiated and found a strong pattern of population structure with signal of isolation by distance. I then employed genome scan methods to identify candidate loci showing signals of selection associated with climate, with a particular emphasis on polygenic loci. A multivariate analysis was used to determine that temperature was the most important climate variable responsible for adaptive genetic variation among all variables tested. By using novel methods and genome annotation of related species I identified the function of genes of candidate loci. This showed that genes under selection have functions related to energy homeostasis and immune processes. Suggesting that M. glareolus populations have evolved in response to local temperature and specific local pathogenic selection pressures. The studies presented in this thesis provide evidence for the genetic basis of local adaptation in two vole species across different environmental gradients, suggesting that the identified genes are involved in local adaptation. This demonstrates that with the help of novel methods the study of wild populations, which often have little genomic resources available, can provide unique insights into evolutionary processes. Zusammenfassung (German summary) 3 Zusammenfassung (German summary) Ein Schwerpunkt der Evolutionsbiologie besteht darin, zu verstehen, wie sich Organismen an ihre lokale Umgebung anpassen. Lokale Anpassung tritt ein, wenn die Kräfte der divergierenden natürlichen Selektion im Vergleich zu anderen evolutionären Kräften stark genug sind. Ein verbessertes Verständnis der genetischen Grundlagen der lokalen Anpassung kann Informationen über die Evolutionsprozesse in Populationen liefern und ist durch seine Relevanz für durch den Klimawandel bedingte veränderte Selektionsdrücke von großer Bedeutung. Bisher wurden die meisten Erkenntnisse durch Untersuchungen an Modellorganismen gewonnen. Jedoch ist das Verständnis der genetischen Grundlagen der lokalen Anpassung in Wildpopulationen von Arten mit geringen genomischen Ressourcen noch immer begrenzt. Mit den in dieser Doktorarbeit vorgestellten Untersuchungen war es daher mein Ziel, Einblicke in die genetischen Grundlagen der lokalen Anpassung in Populationen von zwei Wühlmausarten zu geben: der Feldmaus (Microtus arvalis) und der Rötelmaus (Myodes glareolus). Bei beiden handelt es sich um kleine Säugetiere mit einem, im Vergleich zu ihrer Ausbreitungsfähigkeit, hohen Evolutionspotential. Daher ist anzunehmen, dass sie genetische Reaktionen auf lokale Bedingungen zeigen. Hinzu kommt, dass sie aufgrund ihrer großen Verbreitung ein großes Spektrum an verschiedenen Umweltbedingungen erfahren, was sie zu einer idealen Spezies, für die Untersuchung lokaler Anpassung macht. Die erste Studie dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Erstellung eines bisher nicht verfügbaren mitochondriellen Genoms, um die weitere Forschung an M. arvalis zu erleichtern. Dies wurde mittels Shotgun-Sequenzierung und eines iterativen Kartierungsansatzes erreicht. Anschließend wurde es in einer phylogenetischen Analyse verwendet, die neue Erkenntnisse über die phylogenetischen Beziehungen der Arvicolinae lieferte. Die folgenden zwei Studien konzentrierten sich auf die genetische Basis der lokalen Anpassung unter Verwendung von ddRAD-Sequenzierungsdaten und Genom-Scan-Methoden. Die erste umfasste die Sequenzierung der genomischen DNA von Individuen aus drei M. arvalis- Untersuchungsgebieten in geringer Höhe und drei in großer Höhe in den Schweizer Alpen. Umgebungen in großer Höhe mit niedrigen Temperaturen und niedrigem Sauerstoffgehalt Zusammenfassung (German summary) 4 (Hypoxie) stellen kleine Säugetiere vor erhebliche Herausforderungen. Aufgrund ihrer geringen Körpergröße und proportional großen Körperoberfläche müssen sie hohe aerobe Stoffwechselraten aufrechterhalten, um die Thermogenese und Fortbewegung zu unterstützen, die mit begrenzter Sauerstoffverfügbarkeit eingeschränkt sein können. Um Einblicke in die Höhenanpassung zu erhalten, habe ich eine große Anzahl von Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) identifiziert. Mit Hilfe dieser Daten wurden ein hohes Maß an Differenzierung zwischen den Untersuchungsorten und ein klares Muster der Populationsstruktur zusammen mit einem isolation-by-distance Signal identifiziert. Unter Verwendung von Genom-Scan-Methoden identifizierte ich Selektionssignale in Genen, die mit Höhenunterschieden verbunden werden. Diese besitzen Funktionen, die mit dem Sauerstofftransport in das Gewebe sowie mit aeroben Stoffwechselwegen zusammenhängen. Dies weist darauf hin, dass Hypoxie ein wichtiger Selektionsdruck für die lokale Anpassung in großer Höhe für M. arvalis ist. Einige dieser Gene sind bereits früher mit der Höhenanpassung bei anderen Arten in Verbindung gebracht worden. Dies führte zu der Annahme, dass sich Populationen in großer Höhe lebender verschiedener Arten in Anpassung an die einzigartigen Bedingungen in großer Höhe auf ähnliche Weise entwickelt haben. Die nächste Studie befasste sich ebenfalls mit den genetischen