The role of hybrids in the process of speciation : a study of naturally occurring Formica wood ant hybrids

Abstract

Hybridization and gene flow between diverging populations is widespread among taxa, it can homogenize previously diverging populations and is often viewed as a counteractive force to speciation. While much work has focused on how populations accumulate barriers to gene flow in the gradual process of speciation, hybrids themselves have often received less attention. In this thesis I investigate fundamental questions about hybridization between two wood ant species, Formica aquilonia and F. polyctena. I utilized multiple different methods, including bioinformatics, transcriptomics and gene expression, population genetics, and mating behavioural assays. In Chapter I, I found evidence of widespread hybridization between these two species in southern Finland. Over half of the populations were hybrid, and my data indicated that they have had many independent origins. Furthermore, hybrid populations had variable levels of admixture, suggesting that hybridization has been historic and is ongoing in this system. In Chapter II, I characterised mate choice in virgin queens of F. aquilonia and hybrids, and compared this to the realized mate-choice of old queens in nature. I also recorded egg laying and hatching rates of old queens to study the consequences of hybridization. This study revealed asymmetric preferences of F. aquilonia and hybrid queens, which could lead to the persistence of hybrid populations in nature. Egg laying rates did not differ, however the eggs of hybrid queen hatched 83% less than those of F. aquilonia revealing the costs of hybridization. In Chapter III, I studied gene expression patterns associated with introgressed alleles at candidate barrier loci known to be under selection during development. This was achieved by developing two de novo transcriptomes of distinct hybrid lineages from a long-term study population of hybrid wood ants. I found that only a fraction of the transcriptomes were differentially expressed in association with introgression. In Chapter IV, I contributed towards the de novo genome assembly from a single hybrid male, which leveraged the large body size of these ants and recent advances in sequencing technology to create a cost-effect reference genome. Collectively the chapters of this thesis contribute fundamental knowledge towards our understanding of this emerging model system, as well as reference genomic and transcriptomic resources for future studies to investigate admixture and selection. My results add to the growing evidence of widespread hybridization between diverging taxa, advance our understanding of the genetic basis of selection in this system, and open new avenues of research into the persistence of Formica hybrids and their role in the future evolutionary trajectories of these species.

Eriytymässä olevien populaatioiden risteytyminen ja geenivirta niiden välillä on yleistä eri eliöryhmissä. Se voi yhtenäistää jo eriytyneitä populaatioita, ja sen on usein katsottu toimivan vastavoimana lajiutumiselle. Vaikka lajiutumisen aikana populaatioiden välille kertyviä geenivirran esteitä on tutkittu paljon, risteymiin kiinnitetään usein vähemmän huomiota. Tässä tutkielmassa selvitän kahden kekomuurahaislajin risteytymiseen liittyviä peruskysymyksiä tupsukekomuurahaisella (Formica aquilonia) ja kaljukekomuurahaisella (F. polyctena). Käytän useita eri menetelmiä, mukaan lukien bioinformatiikkaa, transkriptomiikkaa ja geenien ilmentymistä, populaatiogenetiikkaa sekä parittelykäyttäytymisen analysointia.

Ensimmäisessä luvussa löysin todisteita näiden kahden lajin laajasta risteytymisestä Etelä-Suomessa. Yli puolet populaatioista oli risteymiä, ja aineistoni mukaan risteytymistä on tapahtunut itsenäisesti useita kertoja. Lisäksi risteymäpopulaatioiden genomeissa oli vaihteleva määrä sekoittumista, mikä viittaa siihen, että risteytyminen on sekä vanhaa alkuperää että edelleen tapahtumassa. Toisessa luvussa kuvasin nuorten neitsytkuningatarten parittelukumppanin valintaa sekä tupsuloviniskalla että risteymillä, ja vertasin sitä vanhojen kuningatarten luonnossa tapahtuneeseen parinvalintaan. Mittasin myös vanhojen kuningatarten muninta- ja kuoriutumismääriä tutkiakseni risteytymisen seurauksia. Tämä tutkimus paljasti, että tupsukekomuurahaisen ja risteymien kuningattarilla on epäsymmetriset parinvalintamieltymykset, mikä saattaa johtaa risteymäpopulaatioden säilymiseen luonnossa. Munintamäärissä ei ollut eroa, mutta risteymäkuningatarten munista kuoriutui 83% vähemmän kuin tupsukekomuurahaisen munista, paljastaen risteytymisen kustannukset. Kolmannessa luvussa tutkin geenien ilmentymiskuvioita liittyen toisesta lajista siirtyneisiin alleeleihin niissä estelokuksissa, joihin valinnan tiedetään vaikuttavan kehityksen aikana. Tein tämän kehittämällä de novo -transkriptomit kahdesta erillisestä risteymälinjasta pitkäaikaisessa seurantapopulaatiossamme. Sain selville, että ainoastaan murto-osaa transkriptomeista ilmennettiin eri tavalla toisen lajin alleeleihin liittyen. Neljännessä luvussa osallistuin yhden risteymäkoiraan de novo -genomin kokoamiseen, missä käytettiin hyväksi näiden muurahaisten suurta kokoa ja sekvensointiteknologian viimeisintä kehitystä kustannustehokkaan viitegenomin luomiseksi.

Kokonaisuutena tämän tutkielman osiot antavat perustietoa, joka auttaa meitä ymmärtämään tätä uutta mallisysteemiä, sekä luovat viitegenomi- ja transkriptomiresursseja tulevien sekoittumis- ja valintatutkimusten käytettäväksi. Tulokseni lisäävät todisteita siitä, että eriytymässä olevien eliöryhmien risteytyminen on yleistä, vievät eteenpäin ymmärrystämme valinnan geneettisestä taustasta tässä systeemissä ja avaavat uusia mahdollisuuksia kekomuurahaisten risteymien säilyvyydestä ja niiden roolista näiden lajien tulevassa evoluutiossa.