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Adaptive significance of transgenerational plasticity

Fuxjäger, Lukas (2019) Adaptive significance of transgenerational plasticity.
Masterarbeit, University of Vienna. Fakultät für Lebenswissenschaften
BetreuerIn: Ahnelt, Harald
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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-22751.43078.355161-7

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Abstract in English

The ongoing climate change rises ocean temperatures beyond compare. The speed of this process requires a fast adaption to the changing conditions. The three-spine stickleback (Gasterosteus aculeatus) with its large geographical and ecological range and its high phenotypical and ecological diversity, underlies a wide array of various selection mechanisms. This is resulting in response mechanisms acting at different levels. They include a shift in the distributional range, fast rapid evolution (genetic tracking) and/or adaptive phenotypic plasticity. Little is known about the non-genetically aspect of fast adaption in nature. Plasticity as aspect for adaptation, occurs in two forms, within a generation (results in an individual response of the phenotype to changed environmental conditions) and across generations, (transgenerational plasticity /TGP). TGP affects offspring plasticity and is strongly influenced by the parental habitat conditions. TGP results in different phenotype expressions of the same genotype, selected by the respective environmental conditions. The speed of TGP is a key benefit for fast adaptation to new environmental conditions. TGP offers the opportunity to enable a catch-up of genetic adaptations, that normally act as crucial selection factor in new stressful environmental conditions. TGP enables a more rapid evolution of those traits than it would be the case for genetically inherited adaptive phenotype plasticity. Nevertheless, we know little how TGP is shaping sexual traits involved in mate choice and reproductive success under non-laboratory conditions. Most studies focused on proxies for individual fitness and not on reproductive output or directly on individual fitness. Therefore, we conducted a mate choice experiment using male and female stickleback (G. aculeatus) with different TGP thermal histories (ambient 17°C or elevated 21°C) under simulated climate change using outdoor mesocosms. Genotyping of the egg clutches and adult fish was used for precise parentage and reproductive success analysis. The results showed that maternal thermal history as well as oviposition environment affected egg provisioning and fecundity. Females with 17°C temperature history, showed a reduction in egg size in a 21°C setup, likely caused by the elevated metabolic stress in a higher temperature (21°C) environment. Moreover, also paternal thermal history interacted with specific environmental conditions resulting in an influenced mating and reproductive success. Males with 21°C thermal history showed a lower overall mating success, compared to males with a 17°C history. But if the temperature history and the environmental temperature align, the 21°C males showed a higher mating and reproductive success in 21°C mesocosms. This suggests that mate choice and the resulting reproductive success might be a combination of TGP mediated adaptations and context dependent mate choice characters induced by the individual thermal history and the reproductive environment temperature. The positive effects of TGP mediated traits seem to be solely adaptive if there is a match between the parental environment conditions and offspring mating environment. To gain the maximum fitness (on individual as well as on the populational level), a match between the specific environmental mating conditions and parental non-genetic inheritance of fitness mediated by TGP, is needed. This match facilities the establishment/adaption and maintenance of high selective environment depending mate choice trait, that alters the selection for TGP mediated phenotypes. All this affects the fitness and likely alter population dynamics and rapid response evolution in a warming ocean.

Schlagwörter in Englisch

Gasterosteus aculeatus /climate change / transgenerational plasticity / reproductive success /mate choice / temperature history

Abstract in German

Die aktuellen Auswirkungen des Klimawandels verändern die Temperaturen in den Ozeanen in nie dagewesenen Ausmaßen. Das schnelle Voranschreiten dieses Prozesses erfordert auch eine rasche Anpassung an die sich weiter ändernden Umweltbedingungen. Der Dreistachlige Stichling (Gasterosteus aculeatus), der eine hohe phänotypische Plastizität aufweist, sowie diverse ökologische und geographische Nischen als Habitat nutzt, unterliegt vielen unterschiedlichen evolutiven Selektionsmechanismen. Diese fördern und selektieren verschiedenste Anpassungsmechanismen, die wiederum auf verschiedenen Ebenen agieren. Einer der ersten Anpassungen an sich schnell verändernde Umweltbedingungen ist meistens eine Verschiebung der Habitatgrenzen hin zu besser geeigneten Lebensräumen. Als zweite Möglichkeit wäre die schnelle genetische Anpassung, über eine oder wenige Generationen hinweg, zu nennen. Die dritte Strategie beinhaltet das gesamte Potential der adaptiven phänotypischen Plastizität zu nutzen um mit den veränderten Umweltbedingungen zurecht zu kommen. Über nicht genetisch vererbte, schnelle Anpassung an veränderte Umweltbedingungen unter natürlichen, nicht Laborbedingungen, ist sehr wenig bekannt. Plastizität als Möglichkeit zur Anpassung erfolgt über zwei Wege. Erstens innerhalb einer Generation. Dabei passt sich der Phänotyp durch die jeweiligen Umweltbedingungen beeinflusst, genau diesen immer besser an. Die zweite Möglichkeit der Anpassung mittels Plastizität erfolgt Generationen übergreifend (TGP). Dabei spielen die Umwelteinflüsse im elterlichen Habitat eine tragende Rolle, denn durch diese erfolgt eine geänderte, nicht genetische Vererbung, bestimmter Anpassungen an die Nachkommen. Dies führt zu einer veränderten Plastizität in der F1 Generation. TGP erzeugen verschiedene Phänotypen in der F1 Generation, die aber alle auf den gleichen genetischen Grundlagen basieren, nur durch die jeweiligen Umweltfaktoren beeinflusst. Der Schlüssel des Erfolgs für TGP ist das Tempo dieses Prozesses. Dadurch wird eine Anpassung an Umweltfaktoren möglich, die zumeist nur durch eine lange genetische Veränderung, überlebbar wäre. Es ermöglicht eine rasche Anpassung an veränderte Umweltbedingungen und räumt Zeit ein für ein Aufholen der rein genetischen Anpassungen. Jedoch ist bis heute nur wenig bis gar nichts zum Einfluss von TGP in natürlichen Systemen bekannt, welche die selektive Merkmalsevolution der Partnerwahl und den Reproduktionserfolg beeinflussen. Die meisten Studien und Arbeiten zu dem Thema beziehen sich auf abgeleitete Faktoren von individueller, biologischer Fitness. Die direkte individuelle Fitness (im Sinne Darwins) oder auch der Reproduktionserfolg, welche beide maßgebliche Faktoren für biologische Fitness der Individuen und der ganzen Art sind, waren bisher nicht im Fokus der Forschung. Daher haben wir ein Experiment zu genau diese Faktoren und deren Beeinflussung durch TGP bei natürlichen Systemen, durchgeführt. Dazu haben wir einen Partnerwahlversuch mit zwei unterschiedlichen Versuchsgruppen und Umweltbedingungen durchgeführt, bei der eine freie Partnerwahl zwischen verschiedensten TGP beeinflussten Individuen möglich war. Es wurden dazu männliche und weibliche Stichlinge mit einer Temperaturanpassung auf 17°C oder 21°C unter entweder 17°C oder 21°C kombiniert. Die Anpassung der Elterntiere unserer Versuchsindividuen erfolgte über mehrere Generationen hinweg. Verschiedenste Kombinationen von Temperaturanpassungen und Umweltbedingungen wurden in großen Mesokosmen getestet. Um den genauen Reproduktionserfolg ermitteln zu können wurden die dabei gewonnenen Larven und Elterntiere einer Abstammungsüberprüfung unterzogen. Es zeigte sich, dass die thermale Anpassung der Weibchen, als auch die Umweltbedingungen während und kurz vor der Eiablage, eine Anpassung der Eier auf die veränderten Umweltbedingungen durch die Weibchen stark beeinflusste. Weiters wurde die Fruchtbarkeit der Weichen, durch die Interaktion von thermaler Anpassung und den Umweltbedingungen vor und während der Eiablage, verändert. Weibchen mit einer thermalen Anpassung auf 17°C zeigten eine Verkleinerung der Eigrößen bei erhöhten Temperaturen (21°C). Dies wird wahrscheinlich durch den erhöhten metabolischen Stress, bei 21°C verursacht. Weiters zeigte sich das auch bei den Männchen die thermale Anpassung und die veränderten Umweltbedingungen während der Paarungszeit der Reproduktionserfolg beeinflussten. Männchen mit einer thermalen Anpassung auf 21°C, zeigten generell einen geringeren Verpaarungs- und Reproduktionserfolg als Männchen mit einer thermalen Anpassung auf 17°C. Wenn aber die thermale Anpassung mit den veränderten Umweltbedingungen übereinstimmte, führte dies dazu, dass diese Männchen einen höheren Reproduktionserfolg hatten als Männchen, bei denen diese Faktoren nicht übereinstimmten. Das zeigt, dass die selektive Partnerwahl anhand der Anpassungen durch TGP, und der Reproduktionserfolg, stark von der Übereinstimmung der thermalen Anpassung und den phänotypischen Anpassungen an die veränderten Umweltbedingungen, abhängen. Nur bei einer Übereinstimmung der Faktoren kommt es zu einem gesteigerten Reproduktionserfolg. Dies ermöglicht die Entwicklung und eine weitere Anpassung von „Umweltfaktoren abhängiger Partnerwahl“, zwischen TGP beeinflussten Individuen in einer sich schnell ändernden Umwelt. Weiters werden sowohl die Populationsdynamik als auch eine schnelle Evolution hin zur Anpassung an den Klimawandel, durch eine sehr schnelle nicht genetische Anpassung mittels Plastizität über Generationen (TGP), vorangetrieben.

Schlagwörter in Deutsch

Gasterosteus aculeatus / Klimawandel / generationsübergreifende Plastizität /Reproduktionserfolg / Partnerwahl / Temperaturgeschichte

Item Type: Hochschulschrift (Masterarbeit)
Author: Fuxjäger, Lukas
Title: Adaptive significance of transgenerational plasticity
Subtitle: mate choice and reproductive success of oceanic stickleback under climate change
Umfangsangabe: 75 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Masterstudium Zoologie
Publication year: 2019
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Ahnelt, Harald
Assessor: Ahnelt, Harald
Classification: 42 Biologie > 42.60 Zoologie: Allgemeines
42 Biologie > 42.21 Evolution
AC Number: AC15312250
Item ID: 56116
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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