Genetic and phenotypic differentiation in three chromosomal arrangements of drosophila subobscura

Abstract

Introducción El calentamiento global afecta de modo distinto a diferentes especies. Una de las especies en las que se ha documentado una respuesta genética a la adaptación térmica es Drosophila subobscura. Las clinas latitudinales en la frecuencia de muchas inversiones cromosómicas descritas en esta especie en las poblaciones originales del Paleártico y el descubrimiento de patrones clinales paralelos pocos años después de la colonización de América del Sur y del Norte han proporcionado una de las pruebas más convincentes de que las clinas de inversiones son el producto de la selección natural. Sin embargo, se desconoce el tipo de selección responsable del mantenimiento del polimorfismo cromosómico de inversiones asociado a las clinas. Tradicionalmente se han propuesto tres hipótesis selectivas para dar cuenta del polimorfismo cromosómico, las cuales abarcan distintas unidades de selección: el cromosoma, los genes coadaptados ("supergenes") y los genes individuales. Objetivos Para llegar a entender los mecanismos de selección en la especie D. subobscura, en este trabajo se ha estudiado: 1. La distribución de las ordenaciones cromosómicas a lo largo de un gradiente térmico; 2. La variación nucleotídica en seis genes incluidos en las tres ordenaciones cromosómica más frecuentes; 3. La base genética de la preferencia térmica y de la tolerancia al calor en líneas isocromosómicas. Resultados y Conclusiones Las frecuencias de las ordenaciones cromosómicas en general están correlacionadas con el gradiente de temperatura, formando clinas latitudinales. La ordenación OST se correlaciona positivamente con la latitud y su frecuencia aumenta conforme se avanza desde el sur hacia el norte. Inversamente, la frecuencia de O3+4+7 muestra una correlación negativa con la latitud: alcanza su máxima frecuencia en el sur de Europa y desaparece en el norte. La ordenación O3+4 también exhibe una correlación negativa con la latitud. Estas correlaciones indican que la ordenación OST está adaptada al frío, mientras que las otras ordenaciones pueden considerarse adaptadas a temperaturas más elevadas.

La variación nucleotídica de las ordenaciones más frecuentes se analizó en dos poblaciones españolas distantes latitudinalmente. Aunque las frecuencias de las inversiones difieren entre ambas poblaciones, no se han detectado sin embargo diferencias nucleotídicas dentro de cada inversión entre las poblaciones. Se ha detectado flujo genético entre las diferentes inversiones, pero éste no es suficiente para evitar la existencia de diferenciación genética significativa entre las inversiones para todos los genes analizados. La diferenciación genética entre las ordenaciones también se detectó mediante el análisis de desequilibrio de ligamiento. Aparte de la baja tasa de recombinación entre las inversiones, la epistasis en eficacia entre algunos genes podría también contribuir a la diferenciación observada. Mediante la aplicación de diversas pruebas de neutralidad, se ha podido detectar la huella de la selección prácticamente en todos los genes analizados, ya sea en regiones codificadoras o no codificadoras. La hipótesis de la adaptación local es la que se ajusta mejor a nuestros datos, o sea, las inversiones mantienen complejos de genes coadaptados en inversiones de D. subobscura. Nuestros resultados corroboran que las ordenaciones del cromosoma O afectan la preferencia térmica en adultos en un gradiente termal producido en el laboratorio, y que moscas que llevan la ordenación OST adaptada al frío muestran una preferencia térmica hacia temperaturas más bajas que aquellas que tienen las ordenaciones O3+4 y O3+4+8 adaptadas al calor. Sin embargo, estas ordenaciones cromosómicas no tienen ningún efecto sobre la tolerancia al calor en adultos y, por lo tanto, podemos suponer que no hay covarianza genética entre ambos rasgos. La preferencia térmica y la tolerancia al calor en las líneas isocromosómicas de D. subobscura parecen pues ser genéticamente independientes, lo que podría impedir una respuesta coherente del comportamiento y la fisiología (es decir, la coadaptación) a la selección térmica.

Background Global warming is affecting many wild species in different ways. One of the species demonstrating thermal adaptation on the population genetic level is Drosophila subobscura. Latitudinal clines in the frequency of many chromosomal inversions of this species were well documented in the original Palearctic populations, and the discovery of parallel clinal patterns a few years after the colonization of South and North Americas provided compelling evidence that the clines evolved by natural selection. However, the selective process maintaining inversions in populations is not yet clear. Traditionally three selective hypotheses have been advanced to explain the maintenance of the chromosomal polymorphism, according to the level of operation of natural selection: chromosome, coadapted genes (“supergenes”) and individual genes. Objectives To distinguish between different hypotheses the following aspects were studied in D. subobscura: 1. The distribution of chromosomal arrangements along the thermal gradient; 2. The nucleotide variation in six genes inside the three most frequent chromosomal inversions; 3. The genetic basis of thermal preference and heat shock tolerance in isochromosomal lines. Results and conclusions The frequencies of the most abundant chromosomal arrangements in general correlated with temperature gradient, forming latitudinal clines. The arrangement OST positively correlated with latitude and its frequency increased from the south to the north. At the same time the frequency of O3+4+7 shows a negative correlation with latitude and reaches its maximum frequency in the south of Europe disappearing in the north. The O3+4 arrangement has a negative correlation with the latitude. Therefore, the arrangement OST is supposed to be cold-adapted while the other arrangements are considered to be warm-adapted. The nucleotide variation of the most frequent chromosome arrangements was analyzed in two distant Spanish populations situated along a latitudinal gradient. No within-inversion genetic differences were detected among populations, which suggest that the gene content along the gradient is rather constant for the various chromosomal arrangements and genetic flow is high. Although gene flux between different inversions was detected, significant genetic differentiation among inversions for all genes was found. Genetic differentiation between arrangements was also detected by linkage disequilibrium analysis, showing significant associations between informative sites when comparing arrangement pairs, which could be explained by low recombination rate between inversions and probable epistasis between some genes. The footprints of selection nearly in all genes, either in coding or noncoding parts, were detected using several neutrality tests. The Local Adaptation hypothesis is the one that fits better to our data and would explain the maintenance of the coadapted gene complexes within inversions in D. subobscura. Our results corroborate that arrangements on chromosome O affect adult thermal preference in a laboratory temperature gradient, with cold-climate OST carriers displaying a lower thermal preference than their warm-climate O3+4 and O3+4+8 counterparts. However, these chromosome arrangements did not have any effect on adult heat tolerance and, hence, we putatively discard a genetic covariance between both traits arising from linkage disequilibrium between genes affecting thermal preference and genes of heat shock resistance. Therefore, thermal preference and heat tolerance in the isochromosomal lines of D. subobscura appear to be genetically independent, which might potentially prevent a coherent response of behavior and physiology (i.e., coadaptation) to thermal selection. If this pattern were general to all chromosomes, then any correlation between thermal preference and heat resistance across latitudinal gradients would likely reflect a pattern of correlated selection rather than genetic correlation.