Institut Cavanilles de Biodiversitat i Biologia Evolutiva Programa de doctorat en Biodiversitat i Biologia Evolutiva (3101) Adaptation to environmental unpredictability in rotifers: an experimental evolution approach Eva del Pilar Tarazona Castelblanque Maig 2018 Directors: María José Carmona Navarro Eduardo Moisés García Roger ii Tesi presentada per EVA DEL PILAR TARAZONA CASTELBLANQUE, per optar al grau de Doctora per la Universitat de València. Signat: Eva del Pilar Tarazona Castelblanque Tesi dirigida pels Doctors en Ciències Biològiques per la Universitat de València, MARÍA JOSÉ CARMONA NAVARRO i EDUARDO MOISÉS GARCÍA ROGER. María José Carmona Navarro Eduardo Moisés García Roger Catedràtica d’ecologia Professor contractat doctor Universitat de València Universitat de València Aquest treball ha estat finançat per un Contracte Predoctoral del Ministeri d’Economia i Competitivitat del Govern d’Espanya (BES- 2013-066448) concedit a EVA DEL PILAR TARAZONA CASTELBLANQUE, i per els projectes d’investigació (CGL2012-30779 i CGL2015-65422-P) del Ministeri d’Economia i Competitivitat del Govern d’Espanya, cofinançats amb fons FEDER. iii iV Agraïments Les següents paraules són un agraïment a totes les persones o institucions que, d’alguna o altra manera, m’han donat suport per a fer possible aquesta tesi doctoral. En primer lloc vull agrair als meus directors de Tesi, María José Carmona i Eduardo García, per la confiança que han depositat en mi per poder dur a terme aquest projecte d’investigació. Pareix que va ser ahir quan vaig començar aquesta aventura. Gràcies pel vostre suport i paciència durant aquests anys. Ha sigut una gran experiència poder compartir amb vosaltres totes les hores que hem estat junts amb experiments, informes, aprenent estadística, donant classes, etc. M’heu ensenyat moltíssimes coses en tots els àmbits i meu transmés l’entusiasme per investigar i per aportar el meu granet d’arena en les preguntes més interessants. Gràcies al Ministeri d’Economia i Competitivitat, per finançar aquest projecte d’investigació mitjançant una ajuda “Contratos predoctorales FPI” (BES-2013-066448) i dues estades a l’estranger (EEBB2016-11382 i EEBB-2017-12383). Al “Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica (I+D+I) del Ministerio de Economia y Competitividad” per finançar aquesta recerca amb dos projectes (CGL2012-30779 i CGL2015-65422-P) cofinançats amb fons FEDER de la Unió Europea. V També voldria agrair als membres del laboratori d’Ecologia Evolutiva. A Manuel i Raquel, gràcies per la vostra ajuda en qualsevol qüestió i per la vostra companyia al laboratori i també als congressos on vam gaudir de tantes experiències. També a Pau, Ana i Carmen, que encara que no hem coincidit molt, heu sigut font d’inspiració i m’han vingut molt bé els vostres consells sobre com treballar durant la tesi i sobre com sobreviure a la tesi. Amb Lluís he pogut compartir moltes hores de lupa amb experiments. Gràcies per la teua ajuda quan m’entrava l’estrés per qualsevol cosa (algues caigudes, mort de rotífers, etc.) i per tot el que he aprés amb tu durant aquests anys al laboratori. Altre suport important i essencial per la realització d’aquesta tesi ha sigut Ana. Gràcies per la teua ajuda amb les extraccions d’ADN dels rotífers, sense tu hages sigut difícil acabar a temps! Tot i que no hem coincidit molt, també voldria agrair els seus ànims i converses a Noemi, Ivana, Irina, Tono, Cristina. Ara, pot ser, vos toca a vosaltres, molts ànims i sort en el vostre futur! Durant la tesi vaig tindre el plaer de conéixer a África Gómez durant les dues estades realitzades a la Universitat de Hull. Gràcies Afri per tota l’ajuda i per acollir-me a Hull fent-me sentir com a casa. També voldria agrair als components del laboratori EVOHull: Dave, Domino, Lori, Berndt, Christoph, Graham, Amir, James, Robs, Marco, David, Lyndsey, Cristina, Rosie, etc. Moltes gràcies per fer- me tan fàcils aquells mesos entre cafés, gelats i cerveses al Larkins. Vi També vull agrair al personal d’administració i serveis de l’Institut Cavanilles. A Yolanda per ensenyar-me a alimentar als rotis, a Alejandra per les seues gestions i gràcies també a la resta de personal: Pilar, Julia, Rafa, Jorge, Laura (i segur que algú més), per la vostra ajuda en mantindre ben alimentats als meus xicotets. Aquesta tesi la vull agrair especialment a la meua família. A tots i cadascun de vosaltres per estar ací recolzant-me i aguantant les llargues converses de rotífers. A eixes xicotetes nebodes que amb els seus somriures, quasi sense dents, m’han alegrat els moments difícils. A la yaya, els tios, cosins, sogres i cunyats pel vostre afecte i per l’esforç que heu fet per entendre que no podia deixar sols els ous dels rotífers. Gràcies a la meua germana, per confiar en mi des del moment zero i animar-me dient-me que podia amb bacteris o rotífers. I per descomptat, vull agrair aquesta tesi als meus pares. Gràcies pels esforços que heu fet per ajudar-me a aconseguir les meues metes, per ensenyar-me a treballar dur, lluitar pel que vull, i per donar-me suport en totes les decisions que he pres. I a tu, una vegada mes, gràcies pel teu suport, amor i comprensió en aquest camí. Vaig conéixer als rotífers a les nostres llargues converses i, amb la il·lusió amb què parlaves, era difícil no voler saber més d’ells! Gràcies Lluís, per confiar sempre en mi, per donar- me forces quan no les trobe i, sobretot, per ser el meu refugi. Vii Viii Adaptation to environmental unpredictability in rotifers: an experimental evolution approach I call this experiment “replaying life's tape”. You press the rewind button and (…) go back to any time and place in the past (...). Then let the tape run again and see if the repetition looks at all like the original Stephen Jay Gould iX X Index Summary in English 1 Resum en Valencià 21 Chapter 1. Introduction 41 Chapter 2. The methodological context 63 Chapter 3. Evolution of life-history traits as a response to environmental unpredictability in experimental rotifer populations 105 Chapter 4. Ecological genomics of adaptation to unpredictability in rotifer experimental populations 137 Chapter 5. Comparative transcriptome analysis of diapausing eggs from rotifer populations subjected to predictable and unpredictable laboratory environments 169 Chapter 6. Final remarks and conclusions 211 Literature cited 227 Appendix 287 Xi Xii Summary in English Introduction Organisms inhabit environments in which abiotic and biotic conditions are not constant, but vary temporally and/or spatially. Such environmental fluctuations are ubiquitous in nature and impose strong selection pressures to which organisms must adaptively respond. Consequently, unveiling the adaptive response of organisms to cope with heterogeneous environments has become a central topic in fundamental and applied evolutionary ecology. Dispersal allows organisms to “travel” in space and/or time in order to escape from unsuitable conditions, and it is dependent on the temporal and spatial heterogeneity of the environments. This has been associated in some organisms with the production of resistant, dormant stages that can remain in dormancy for a variable periods of time. These dormant forms represent a major and widespread adaptation that occurs in the life histories of many organisms in order to prevent population extinction and to promote dispersal and colonization of new environments. Diapause is a type of dormancy, which is characterized by a temporal suspension of the metabolic activity, arrested development, and an increased resistance to stress. Depending on species and habitats, diapause can occur at different stages of the life cycle (e.g., eggs, 1 larvae, pupae or adults, for instance in copepods and insects). The entrance into diapause –and their duration– depends on an endogenous control, and it remains –even if suitable conditions resume– until specific cues disrupts it. Given that many diapausing stages do not hatch when suitable environmental conditions return, and remain viable in the sediment, they contribute to the formation of the so-called “egg banks”. These diapausing egg banks act as reservoirs of genetic diversity, promoting the persistence of species and the maintenance of the phenotypic and genetic variability within populations. Thus, diapause has been considered as a strategy to avoid risk through time, by working as a sort of “time machine”. This thesis focuses on temporally varying environments, which are characterized by the alternation between suitable and unsuitable environmental conditions. Such alternation can be considered as predictable, if it occurs recurrently; or unpredictable, if the alternation follows a random pattern. At this respect, diapause can be the subject of different adaptive responses by organisms inhabiting temporally varying environments. Organisms can cope with environmental variation through phenotypic plasticity –i.e., a single genotype producing different phenotypes depending on particular environmental conditions– which is expected to occur when environments fluctuate predictably, and changes do not occur too much rapidly. When environmental fluctuations occur 2 slowly, a second type of expected response is adaptive tracking, in which natural selection acting recurrently on the standing heritable variation among individuals leads to genetic evolution. Finally, rapid and unpredictable environmental change is expected to favor bet hedging, a risk-spreading life-history adaptation. Bet hedging reduces temporal variation in fitness under conditions of unpredictable environmental variance. It occurs when a selected trait in a genotype reduces fitness variance at the cost of a decrease in the arithmetic mean fitness, but maximizing geometric mean fitness (i.e., the measure for long-term fitness). Bet hedging has been mostly considered as a maternal strategy in which two main modes have been described. A first mode, called conservative bet hedging, takes place when a single genotype produces a unique low-risk phenotype in its whole offspring to reduce temporal variance in reproductive success.