Quantitative and population genetics of the Glanville fritillary butterfly

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2172-1
Title: Quantitative and population genetics of the Glanville fritillary butterfly
Author: Wong, Swee Chong
Other contributor: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta, biotieteiden laitos
Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten, biovetenskapliga institutionen
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences
Metapopulation Research Center
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-06-17
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2172-1
http://hdl.handle.net/10138/162249
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: In the past decade, advances in next generation sequencing (NGS) and genotyping technology have enabled merging of genetic analyses in ecological field studies of natural populations. The development of transcriptome sequencing such as RNA-seq provides a golden opportunity for researchers studying non-model organisms. In the design of genetic analyses in the context of ecological studies, genetic relationships among individuals are often overlooked, especially when sampling wild populations. In ecological studies, studies of e.g., life-history traits, environmental and ecological factors are often the main issues of interest, and genetic analyses remain a secondary consideration. Samples from ecological studies often represent different types, such as inbred samples, samples with complex family structure, and samples with unknown relationships. These distinctly different experimental setups present a challenge for genetic association studies, as the underlying relationships among samples could affect allele frequency distributions in populations, leading to spurious associations. The primary aim of this thesis is to devise protocols for quantitative genetic studies of samples from experimental designs intended for ecological studies, using a non-model organism, the Glanville fritillary butterfly, as the study species. Strategies and methods were implemented to discover potential genetic factors affecting trait variation in the Glanville fritillary. Interactions between the organism and the environment, such as effects of temperature on flight metabolic rate, on phenotypic plasticity and on larval development were studied. All samples were obtained from a large metapopulation of the Glanville fritillary in the Åland Islands in Finland. Flight metabolic rate, life history, female reproductive traits, and phenotypic plasticity were measured in family-based material, while the study of larval development was implemented using a population-based model. Problems tied to to relatedness of samples in each experimental setting were addressed with various strategies. The key findings of this thesis include discovery of a novel association between a SNP in the sex chromosomal gene triosephosphase isomerase and flight metabolic rate in females. This discovery was confirmed with one additional material: a dataset with 16 population samples. This gene is potentially another candidate gene in regulating the complex flight metabolic pathway. An interaction between temperature treatment preceding flight activity and SNP genotypes in the phosphoglucose isomerase gene was found to influence flight metabolic rate. Individuals with the genotype AC performed better when treated with low temperature, but individuals with genotype AA showed superior performance in high temperature treatments. Moreover, in another experiment, individuals with the AA genotype were more tolerable to heat shock than the AC individuals. Three SNPs in the cytochrome P450 337 gene were associated with the total number of eggs and caterpillars produced by females in their life-time. Further sequencing showed that regions prior to the coding region displayed similar association pattern with the three candidate SNPs, suggesting that causal variants might be located in the 5 regulatory region. Finally, SNPs from the vitellin-degrading protease precursor were associated with the incidence of the extra eighth larval instar (a development stage of insects), though the result was not significant after adjusting for multiple testing. This work contributes to developing procedures for samples originating from ecological studies and which might have sub-optimal experimental design for genetic analyses. Rigorous steps such as relatedness control, confidence interval calculation, and genetic power estimation were performed in this thesis to help interpret results from different chapters. The thesis shows that sound protocols can be developed to address problematic issues related to relationships among the samples.Viime vuosikymmenenä uuden sukupolven sekvenssointimenetelmien ja genotyypitys-teknologioiden kehitys ovat mahdollistaneet geenianalyysien yhdistämisen luonnollisten populaatioiden kenttätutkimuksiin ekologiassa. Transkriptomin sekvensoinnin kehitys, kuten RNA-seq, on tarjonnut tutkijoille erinomaisen mahdollisuuden tutkia ei-malliorganismeja. Ekologisten tutkimusten geenianalyysien suunnittelussa yksilöiden väliset suhteet jäävät usein liian vähälle huomiolle, erityisesti luonnonvaraisia populaatioita tarkisteltaessa. Ekogologisissa tutkimuksissa esimerkiksi elinkierron piirteiden tutkimisessa, ympäristölliset ja ekologiset faktorit ovat useimmiten pääasiallisia kiinnostuksen kohteita, ja geneettiset analyysit toissijaisia. Ekologisten tutkimusten näytteet sisältävät usein erilaisia ryhmiä, jotka voivat olla sisäsiittoisia, monimutkaisia perheyhteisöjä tai näytteitä joiden keskinäiset suhteet ovat tuntemattomia. Nämä selvästi toisistaan poikkeavat koejärjestelyt ovat haaste geneettisten assosiaatioiden tutkimuksille, koska näytteiden väliset suhteet voivat vaikuttaa alleeleiden frekvenssiin populaatiossa, aiheuttaen harhaanjohtavia assosiaatioita. Tämän väitöskirjan päätarkoitus on laatia protokolla ekogologisissa tutkimuksissa käytettävään kvantitatiiviseen näytteiden geenitutkimukseen, käyttäen testikohteena ei-malliorganismia, täpläverkkoperhosta (Melitaen Cinxia). Strategioita ja menetelmiä kehitettiin, jotta löydettäisiin potentiaaliset geenitekijät, joilla on vaikutuksia täpläverkkoperhosen ominaisuuksien vaihteluihin. Tutkimme myös organismin ja ympäristön vuorovaikutusta, kuten lämpötilan vaikutusta lentoaineenvaihduntaan, fenotyyppien plastisuuteen sekä toukkavaiheen kehitykseen. Kaikki näytteet kerättiin suuresta täpläverkkoperhosen metapopulaatiosta Suomesta, Ahvenanmaan alueelta. Lentoaineenvaihdunnan nopeus, elinkierto ja naaraiden lisääntymispiirteet sekä fenotyyppien plastisuus mitattiin perhe-pohjaisesta materiaalista, kun taas toukkavaiheen kehittymisen tutkimuksessa käytettiin populaatio-pohjaista mallia. Näytteiden sukulaisuuden tuomia ongelmia koejärjestelyissä pyrittiin käsittelemään erilaisin strategioin. Tämän väitöskirjan päälöydös oli yhden nukleotidin polymorfismi (SNP) sukupuolikromosomi-geeni trioosifostaatti-isomeraasissa ja sen ennestään tuntematon yhteys naaraiden lentoaineenvaihdunnan välillä. Tämä löydös varmistettiin 16:sta populaationäytteestä. Trioosifostaatti-isomeraasi on mahdollisesti uusi ehdokasgeeni perhosen monimutkaisen lentoaineenvaihduntaketjun säätelijäksi. Vuorovaikutuksella lentotapahtumaa edeltävän lämpökäsittelyn ja eri fosfoglukoosi-isomeraasi genotyyppien välillä huomattiin olevan vaikutusta lentoaineenvaihduntaan. AC-genotyypin omaavat yksilöt suoriutuivat paremmin matalan lämpötilakäsittelyn jälkeen, kun taas AA-genotyypin omaavien yksilöiden suorituskyky oli ylivoimaista korkean lämpötilakäsittelyn jälkeen. Lisäksi toisessa kokeessa AA-genotyypin yksilöt sietivät lämpöshokkia AC-genotyyppiä paremmin. Geenissä sytokromi P450 337 havaittiin kolmen erillisen SNP:n vaikuttavan naaraiden elinikänään tuottamien munien ja toukkien kokonaismäärään. Tarkempi sekvenssointi osoitti, että koodavaa aluetta edeltävät alueet näyttivät samankaltaisia assosiaatiomalleja kolmen ehdokas -SNP:n kanssa, viitaten siihen että kausaaleja variantteja voi sijaita 5' säätelyalueessa. Lisäksi löydettiin assosiaatio vitelliiniä hajoittavan proteaasin prekursorissa olevien SNP:ien ja kahdeksan ylimääräisen toukkavaiheen välillä, mutta nämä tulokset eivät olleet tilastollisesti merkittäviä tilastollisien korjauksien jälkeen. Tämä työ edesauttaa kehittämään toimintatapoja ekologisisten tutkimusten näytteille joilla voi olla epäoptimaalisia koejärjestelyjä geneettisiä analyysejä varten. Täsmällisiä menetelmiä kuten sukulaisuussuhteiden kontrollointi, luottamusvälien laskenta ja geneettisen voimakkuuden estimointia käytettiin tässä väitöskirjassa eri osioista saatujen tuloksien tulkitsemiseksi. Tämä työ todentaa, että luotettavia protokollia voidaan kehittää, jotta voidaan käsitellä näytteitä, joiden keskinäiset suhteet ovat monimutkaisia ja hankalasti analysoitavia.
Subject: ecology and Evolutionary Biology
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
QUANTITA .pdf 10.95Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record