Studying the genotype-phenotype map through general mathematical models of embryonic development and its application on tooth morphogenesis and evolution

Abstract

Entendre com les especies canvien al llarg de les generacions es un dels principals desafiaments de la biologia evolutiva. Per tal d'entendre el canvi evolutiu a nivell del fenotip és necessari conèixer quina variació fenotípica heretable és present a cada generació i com la seleccio natural actua sobre el fenotip. La variació genètica heretable s'associa a la variació fenotípica corresponent a través del mapa genotip-fenotip (MGF). En el cas de l'evolució morfològica, el MGF ve donat pel desenvolupament embrionari, que consisteix en xarxes d'interacció complexes i dinàmiques entre gens, cèl·lules i teixits. El MGF ens indica el conjunt de fenotips que el desenvolupament pot produir i també les mutacions genètiques especiífiques que es requereixen per aconseguir un determinat fenotip. En aquesta tesi utilitzem l'aproximació computacional per tal de generar prediccions teòriques sobre com la complexitat del MGF influeix en la variació morfològica resultant del desenvolupament i quin efecte té en les dinàmiques evolutives de les poblacions. Utilitzem la dent de mamífer com a sistema model a causa de la seva alta complexitat morfològica i la seva rellevància ecològica i evolutiva. Per mitjà de la simulació d'evolució in silico trobem que els règims selectius que es centren en tots els detalls del fenotip no aconsegueixen portar les poblacions a l'optimalitat fenotípica. També desenvolupem un model general de desenvolupament animal que és capaç de reproduir un ampli ventall de mecanismes de desenvolupament. Després utilitzem aquest model per extendre el model de desenvolupament de dents i explorem la variacio morfològica provinent d'alteracions en l'adhesió i biomecànica cel·lulars. Per mitjà de la simulació del desenvolupament de dents amb models matemàtics hem pogut fer prediccions sobre com un MGF complex afecta la distribució de la variació fenotípica i l'efecte de la selecció natural durant l'evolució adaptativa.

One of the main challenges of evolutionary biology is to understand how species change over generations. Phenotypic evolutionary change can only be understood by knowing how natural selection acts on the phenotype and which heritable phenotypic variation arises in each generation within populations. Heritable genetic variation is associated to the correspondent phenotypic variation by means of the genotype-phenotype map (GPM). In the case of morphological evolution, the GPM is determined by embryonic development which consists on complex and dynamic networks of interaction between genes, cells and tissues. The nature of the GPM tells us the ensemble of phenotypes that can be produced by development and also the specific genetic mutations that are required to reach a certain phenotype. In this thesis we use the computational approach to generate theoretical predictions on how the complexity of the GPM influences morphological variation arising from development and what effect has that on the evolutionary dynamics of populations. We use the mammalian tooth as a model system due to its high morphological complexity and ecological and evolutionary relevance. By performing in silico evolution we find that selective regimes that focus on all the details of the phenotype fail to drive populations to phenotypic optimality. We also develop a general model of animal development that is able to reproduce a wide range of developmental mechanisms. We then use this general model to extend the tooth development model and we explore the morphological variation arising from alterations in cell-cell adhesion and biomechanics. By simulating tooth development and evolution by means of mathematical models we have been able to make predictions on how a complex GPM arising from development affects the distribution of phenotypic variation and the effective of natural selection during adaptive evolution.