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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002145-6

Inbreeding and thermal adaptation in the tropical butterfly Bicyclus anynana

  • The impact of inbreeding under different environmental conditions and of artificial selection on cold tolerance was investigated in laboratory populations of the tropical butterfly Bicyclus anynana. The investigation focused on (1) the effects of inbreeding on several fitness-related traits and whether inbred individuals are more susceptible to stress, (2) interactions between inbreeding, genetic adaptation to cold stress and environmental conditions, (3) the effects of artificial selection and inbreeding in the adult stage in other developmental stages, and (4) the effect of inbreeding depression on the heat shock response. Environmental conditions are not constant over time; consequently organisms have to deal with environmental changes. Besides naturally fluctuating conditions, human-induced climate change may increase temperature changes as well as the severity of heat or cold waves. Temperature-stress resistance describes an organism’s ability to cope with stressful temperatures. Enhanced resistance to temperature stress can be reached by phenotypic plasticity or genetic adaptation. Plastic organisms are able to react fast to changing environmental conditions, whereas genetic adaptation is more important for long-term adaptation. Natural habitats may also be affected by human impact, causing habitat loss or fragmentation and changes in population structure. A decrease in the population size may result in inbreeding and inbreeding depression (ID). Consequences of inbreeding are well documented, and inbred individuals are predicted to be more sensitive to environmental stress than outbred individuals. The long term persistence of species and populations depends on their ability to adapt to novel conditions which in turn depends on genetic diversity. Therefore, studies of temperature resistance and its evolution in relation to inbreeding are very important. First a higher susceptibility of inbred individuals to environmental stress was determined in different populations of B. anynana. Inbreeding depression was revealed for several fitness-related traits, but not for immunity traits or heat tolerance. Temperature affected most traits, revealing the importance of temperature on ectotherms; just two hours of thermal stress affected important reproductive, life-history and immunity traits already. Importantly though, no evidence were found that inbred individuals are more susceptible to stressful temperatures than outbred individuals. Genetic adaptation and phenotypic plasticity can interact with one another, resulting in genotype-environmental interactions (G x E). The hypotheses tested here were that some genotypes are more plastic than others and that lines with increased cold stress resistance are less plastic with regard to cold resistance than control lines. To induce plastic responses the exposed lines differed in cold tolerance and inbreeding to different temperatures as well as different feeding regimes and measured fitness-related traits. Several interactions were detected in which a selection regime was involved, but these interactions did not show a clear overall pattern. In summary though, findings were that marginal impacts of directional selection and inbreeding on plastic responses and suggest that, at least for my study organism, the genetic architecture of fitness-related traits is not connected with the architecture of plastic responses. The next investigation concerned with the manifestation of genetic adaptation to produce one specific phenotype across development stages and possible trade-offs. The assumption tested was that there is a genetic link between different developmental stages to produce one definite phenotype by imposing selection in the adult stage only. Lines selected for increased cold resistance in the adult stage were used and increased cold resistance throughout all developmental stages was expected. However, higher cold resistance was found only in the adult stage and not in developmental stages. This could be either the result of a resource allocation trade-off between different stages or that there is no cold resistance phenotype. Thus, if selection takes place in the adult stage it does not affect the others. In the last experiment investigation was directed to determine whether there are negative inbreeding effects on the heat shock protein (HSP) response. Under stressful conditions, organisms produce the HSPs and they act as chaperons required for refolding and repairing of stress degraded proteins. Testing was oriented to find if inbreeding as a genetic stressor´ provokes a higher HSP expression and if there is evidence for higher temperature stress susceptibility on inbred individuals. Findings indeed showed a stronger HSP up-regulation in control compared to inbred lines with a negative inbreeding impact occurrence, which may causally underlie inbreeding depression.
  • In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Inzucht auf unterschiedliche Eigenschaften bei dem tropischen Tagfalter Bicyclus anynana untersucht. Im Kern der Untersuchungen standen (1) der Einfluss von Inzucht auf Fitnessmerkmale und die Frage, ob ingezüchtete Individuen stressanfälliger sind, (2) die Interaktion zwischen Inzucht, genetischer Anpassung und verschiedenen Umweltbedingungen, (3) der Einfluss von künstlicher Selektion und Inzucht während der adulten Phase auf andere Entwicklungsphasen und (4) der Einfluss von Inzucht auf die Hitzeschock-Reaktion. Umweltbedingungen ändern sich im Laufe der Zeit und aus diesem Grund müssen sich Organismen schwankenden Umweltbedingungen auseinandersetzen. Neben natürlichen Änderungen gibt es auch den anthropogen verursachten Klimawandel. Dieser kann einen Anstieg der Temperaturen sowie häufigere Hitze- oder Kältewellen verursachen. Die Temperaturstressresistenz beschreibt die Fähigkeit eines Organismus mit stressvollen Temperaturen zurechtzukommen. Erhöhte Resistenz kann durch phänotypische Plastizität oder genetische Anpassungen erreicht werden. Plastische Organismen können schnell mit veränderten Bedingungen zurechtkommen, hingegen spielen genetische Anpassungen eine wichtige Rolle bei längerfristigen Anpassungen. Der menschliche Einfluss kann Habitate zerstören oder zerteilen und den Austausch zwischen Teilpopulationen einschränken. Eine entsprechend verringerte Populationsgröße kann zu Inzuchtdepression (ID) führen. Anhand von Untersuchungen geht man davon aus, dass ingezüchtete Individuen stressanfälliger als ausgezüchtete Individuen sind. Ein dauerhafter Fortbestand von Arten und Population ist abhängig von der Fähigkeit, sich an neue Bedingungen anzupassen, und dies ist wiederum abhängig von der genetischen Diversität. Aus diesem Grund sind Untersuchungen zur Temperaturstressresistenz und seiner Evolution in Verbindung mit Inzucht von großer Bedeutung. In der ersten Untersuchung wurde die Anfälligkeit von ingezüchteten Individuen auf Umweltstress bei unterschiedlichen B.anynana-Linien bestimmt. Inzuchtdepression wurde bei verschiedenen Eigenschaften, allerdings nicht bei Merkmalen für das Immunsystem oder bei der Hitzestresstoleranz, gefunden. Der hohe Einfluss der Temperatur auf viele Merkmale verdeutlicht die Wichtigkeit dieser Eigenschaft auf ektotherme Organismen. Zwei Stunden Stress waren ausreichend, um Merkmale, die die Fortpflanzung, die Lebensgeschichte und das Immunsystem betreffen, zu beeinflussen. Es wurde kein Hinweis darauf gefunden, dass ingezüchtete Individuen temperaturstressanfälliger als ausgezüchtete Individuen sind. Genotyp-Umwelt Interaktion (G x E) nennt man die Interaktion zwischen Genotyp und Umweltbedingungen. In der zweiten Untersuchung wurde die Hypothese getestet, dass sich die plastischen Kapazitäten zwischen Genotypen unterscheiden können und dass Linien mit erhöhter Kältestresstoleranz weniger plastisch, in Bezug auf Kältestresstoleranz, als Kontrolllinien sind. Um eine plastische Antwort zu induzieren wurden die Linien, welche sich in Kältestresstoleranz und Inzuchtlevel unterschieden, bei verschiedenen Temperatur- und Fütterungsbedingungen gehalten. Es wurden verschiedene Interaktionen gefunden, bei welchen der Einfluss der Selektion eine Rolle spielte. Jedoch zeigten diese Interaktionen kein einheitliches Muster. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine gerichtete Selektion und Inzucht nur einen begrenzten Einfluss auf plastische Reaktionen hat und für diese Studie kann man annehmen, dass die genetische Architektur von Fitnessmerkmalen nicht mit der Architektur von plastischen Antworten verbunden ist. Die nächste Untersuchung beschäftigte sich mit der Manifestation genetischer Anpassungen zwischen verschiedenen Entwicklungs-Stadien und möglichen Kompromissen. Es wurde getestet, ob es eine genetische Korrelation zwischen Entwicklungsstadien gibt. Im adulten Stadium wurden die Linien auf erhöhte Kältestresstoleranz selektiert, daher wurde für alle Entwicklungsstadien erhöhte Kältetoleranz erwartet. Eine erhöhte Toleranz zeigte sich jedoch nur bei den adulten Individuen. Dies könnte das Ergebnis von Kompromissen bezüglich der Nutzung limitierter Ressourcen sein oder es gibt keinen im Allgemeinen kälteresistenten Phänotyp. Folglich hat Selektion während des adulten Stadiums keinen Einfluss auf die anderen Stadien. Im letzten Experiment wurde untersucht, ob Inzucht einen negativen Einfluss auf die Expression von Hitzeschockproteinen (Hsps) hat. Bei Stress produzieren Organismen Hsps, welche wie Chaperone fungieren und bei der Reparatur von fehlgefalteten Proteinen helfen. Hier wurde getestet, ob Inzucht als genetischer Stress´ eine höhere HSP-Expression bewirkt und ob es einen möglichen Zusammenhang zu einer höheren Stressanfälligkeit von ingezüchteten Individuen gibt. Die Ergebnisse zeigten eine stärkere HSP-Expression bei ausgezüchteten als bei ingezüchteten Individuen, dies könnte eine Folge von Inzuchtdepression sein.

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Metadaten
Author: Kristin Franke
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002145-6
Title Additional (German):Inzucht und thermische Anpassung bei dem tropischen Tagfalter Bicyclus anynana
Advisor:Prof. Dr. Klaus Fischer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2015/02/04
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/12/17
Release Date:2015/02/04
Tag:Genotyp-Umwelt Interaktion, Inzuchtdepression, Temperaturstressresistenz, künstliche Selektion, phänotypische Plastizität
artificial selection, genotype by environment interaction, heat shock response, inbreeding depression, temperature stress resistance
GND Keyword:Bicyclus anynana, Hitzeschockproteine, Hitzestress, Inzucht, Kältestress
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Zoologisches Institut und Museum
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 590 Tiere (Zoologie)