Populatiegenomica van hedendaagse evolutie in ruimte en tijd

De capaciteit van natuurlijke populaties om te evolueren in de context van veranderende omstandigheden hangt af van de dynamiek van adaptieve (zoals natuurlijke selectie) en neu­trale processen (zoals willekeurige genetische drift en migratie). Het ontwarren van deze processen moet ons helpen om evolutie te begrijpen en kan gebruikt worden om de toekomstige reacties op milieuveranderingen te modelleren en voorspellen. In het verleden legde het onderzoek zich vooral toe op het documenteren van de snelheden waarmee deze kenmerken evolueren. Maar dank zij de technologische vooruitgang in het bepalen van de DNA sequentie, is het nu mogelijk om de genomische achtergrond te bepalen voor de evolutionaire reacties van populaties op milieuveranderingen.  

Het doel van dit onderzoek is om de genomische basis van snelle evolutie te bepalen in de populaties van drie verschillende soorten: twee stekelbaarspopulaties die samen voorkomen in een ruimtelijk heterogeen milieu, en een Daphnia magna watervlo populatie die in de tijd werd bemonsterd door slapende propagules die begraven liggen in vijversediment opnieuw tot leven te wekken. Bovendien ontwikkelde ik genomische hulpmiddelen voor zowel het stekelbaars als Daphnia systeem. Deze thesis verschaft een antwoord op de volgende vijf brede onderwerpen in de discipline van evolutionaire biologie. 1) De bepaling van het aantal genomische gebieden die reageren op selectie, d.w.z. de evaluatie van de mate waarbij evolutionaire responsen slaan op weinig gebieden met een groot effect dan wel vele gebieden met een klein effect in model organismen. 2) De evaluatie of selectie gebeurde via het herhaaldelijk gebruik van dezelfde genomische gebieden (parallelle evolutie) over soorten heen in antwoord op selectie langs een milieugradiënt. 3) De evaluatie van de oorsprong van adaptieve genetische variatie t.o.v. de novo mutaties, genmigratie en bestaande genetische variatie. 4) De bepaling van de mate van omkeerbaarheid van allelen bij vermindering van de selectiedruk. 5) De ontwikkeling van genomische hulpmiddelen om het onderzoek naar adap­tatie in stekelbaars en Daphnia te vergemakkelijken.

De studie van de fenotypes en genotypes toonde dat twee stekelbaarssoorten fenotypisch op een parallelle manier antwoordden op dezelfde milieu uitdagingen, terwijl op een niet-paral­lelle manier op genomisch niveau. Deze antwoorden hangen ook af van de demografie en levensge­schiedenis van de soorten. In het geval van kleine populaties met een grotere capaci­teit om te migreren, helpt genmigratie om gunstige allelen in het systeem te recycleren, wat een voordeel is voor het voortbestaan op lange termijn en de evolutie van populaties. De “verrijzenis” genomica van D. magna suggereert dat populaties met grote effectieve populatiegroottes (Ne) kunnen weerstaan aan een hoge selectiedruk, zoals het geval is bij predatie. De grote Ne verhoogt ook de effectieve recombinatie, wat de verdeling van adaptieve genomische variatie tussen individuen vergemakkelijkt. Bijgevolg heeft de populatie opnieuw een grotere capaciteit bereikt om zich aan te passen, en dat enkel met de bestaande genetische variatie. De ruimtelijke en temporele populatiestudies van deze vertebraten en inverte­braat leggen een groot aantal genomische eilanden bloot, wat de poly­gene aard van adaptatie suggereert. Mijn onderzoek werpt ook licht op het belang van regulatorische elementen zoals micro-RNAs (miRNA) voor adaptatie. Alles samen genomen suggereert mijn onderzoek een erg soepele en veelzijdige genomische basis van adapatie.