Are reproductive barriers involved in the maintenance of a latitudinal cline?: insights from a set of populations of Drosophila subobscura adapting to a common environment

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Speciation results from the evolution of reproductive isolation between populations. Reproductive barriers can evolve as a direct product of local adaptation, in which individuals discriminate to avoid less fit progeny, or as a by-product of such adaptation. Drosophila subobscura possesses fascinating latitudinal clines for several quantitative traits. However the neutral genetic differentiation among populations is low. Therefore, the maintenance of such clines suggests that reproductive barriers exist between populations. The main goal of the present work was to test whether reproductive barriers between populations from two extremes of the cline exist and, if so, if they decrease or increase over time when these populations invade a new common environment. For that we founded two populations of Drosophila subobscura from Adraga (Portugal) and Groningen (Netherlands). First, the initial differentiation and early adaptation in life-history traits of both populations were characterized. We found that during the first 11 generations the populations showed differences in several life-history traits. However, in general, the populations of both foundations did not exhibit temporal changes across generations. As for the reproductive barriers we found that at an early (fifth) generation, both populations demonstrated a (marginally significant) preference for assortative mating. However, hybrid breakdown was not detected among populations. Five generations later, assortative mating faded away, indicating a relaxation of the selective pressures in the new environment. This study was important as it suggests that, while pre-zygotic barriers may play a role in the maintenance of a latitudinal cline, they fade away quickly during adaptation in a novel, common environment. The study also revealed the need to add a temporal component to studies of reproductive isolation.A especiação resulta da evolução de mecanismos de isolamento reprodutor entre populações. Estes mecanismos podem ser classificados como pré-zigóticos ou pós-zigóticos. Os mecanismos pré-zigóticos têm como função impedir cruzamentos interespecíficos, prevenindo o fluxo génico. Uma das barreiras pré-zigóticas mais importantes é o acasalamento preferencial, em que os indivíduos acasalam preferencialmente com indivíduos semelhantes. Por outro lado, os mecanismos pós-zigóticos reduzem o sucesso dos cruzamentos interespecíficos. Como resultado de cruzamentos interespecíficos pode ocorrer ´hybrid breakdown´, um fenómeno que consiste numa menor fitness por parte da progenitura de populações diferenciadas em relação às populações parentaisdiferenciadas em relação às populações parentais. As barreiras reprodutivas podem evoluir através de diferentes processos. Um deles ocorre quando as barreiras reprodutivas evoluem como resultado da adaptação ao ambiente como, por exemplo, quando populações isoladas desenvolvem diferentes rituais de acasalamento. Portanto, se indivíduos destas populações se encontrarem, a acumulação dessas diferenças impediria o acasalamento. Em populações alopátricas, os indivíduos também se podem adaptar a diferentes ambientes, o que pode levar a barreiras pós-zigóticas. Outro mecanismo é quando a selecção actua directamente sobre os rituais de acasalamento, pois quando as populações estão localmente adaptadas, estas irão beneficiar se não acasalarem com imigrantes. No entanto, é de esperar que a evolução de barreiras pre-zigóticas seja acelerada na segunda situação. Ao longo de um cline latitudinal, como há uma sugestão de adaptação local devido a uma mudança gradual nas diversas características, barreiras reprodutivas podem surgir, mesmo na presença de fluxo génico. A existência de barreiras reprodutivas é frequentemente estudada num momento no tempo. Além disso, existem poucos estudos que utilizam populações com diferentes backgrounds genéticos para inferir se estas estão reprodutivamente isoladas quando se encontram no mesmo ambiente. Seria interessante estudar se há barreiras reprodutivas entre populações com diferentes backgrounds genéticos e como evoluem ao longo do tempo, quando introduzidas num novo ambiente comum. Ainda há dúvidas sobre os principais tipos e causas de especiação; especificamente, como barreiras reprodutivas evoluem e são mantidas ao longo do tempo, bem como de que modo as barreiras reprodutivas evoluem entre populações expostas às mesmas condições ambientais. A Drosophila subobscura é uma boa espécie para estudar esta temática, pois possui populações parcialmente diferenciadas em extremos de um cline latitudinal. Originalmente uma espécie paleárctica, a D. subobscura colonizou a América do Sul e mais tarde a América do Norte. Esta espécie possui um cline latitudinal para várias características, nomeadamente as frequências de inversões cromossómicas e tamanho do corpo. A manutenção desse cline ao longo dos anos e o seu aparecimento independente nos continentes americanos sugerem que existe selecção a operar latitudinalmente ao nível dessas características. Além disso, a diferenciação genética neutral entre as populações ao longo do cline é baixa. Como as populações diferem nas características adaptativas latitudinalmente, algum tipo de barreiras reprodutivas deve existir para manter o cline, ou seja, a diferenciação das populações, ao longo do tempo. Matos e colaboradores estudam a adaptação ao laboratório da Drosophila subobscura há cerca de 20 anos. Os vários estudos têm em comum o facto de as populações, que se estão a adaptar ao laboratório, aumentarem o seu desempenho em relação às características relevantes para a fitness ao longo do tempo. No entanto, tanto o desempenho inicial das populações como a sua taxa de adaptação variou entre fundações, sendo mais contrastantes entre populações provenientes de diferentes localidades e com diferentes anos de fundação, particularmente para as características menos relevantes para a fitness. Além disso, algumas características não demonstraram padrões consistentes de melhoria ao longo do tempo, nomeadamente resistência à inanição, tempo de desenvolvimento e viabilidade juvenil. Os principais objectivos deste estudo foram determinar a possível existência de barreiras reprodutivas entre populações de dois extremos do cline latitudinal e, caso existissem, seguir a sua evolução ao longo da adaptação das populações a um novo ambiente comum, o laboratório. Para tal, foram fundadas duas populações originárias de dois locais com diferentes latitudes, Adraga (Portugal; 38o 47’N, 9o 28’W). Antes de determinar se existiam barreiras reprodutivas entre estas populações, testou-se a diferenciação entre as duas populações no novo ambiente; determinou-se se as populações se estavam a adaptar ao ambiente do laboratório e, se tal se verificasse, se o padrão adaptativo indicava convergência ou contingências evolutivas associadas a um diferente fundo genético inicial. Análise da dinâmica evolutiva de populações oriundas de latitudes contrastantes também em si interesse, de forma a testar a reversão de um cline latitudinal quando as populações se adaptam a um novo ambiente comum. As populações da Adraga (Portugal) e de Groningen (Holanda), sendo originárias de latitudes extremas do cline europeu, apresentam diferenças nas frequências de polimorfismos cromossómicos que podem indicar adaptação a diferentes condições climáticas. Seria, portanto, espectável que as populações apresentassem diferenças em diversas características relacionadas com a fitness, devido à sua adaptação ao ambiente específico. As diferenças genéticas destas populações poderão traduzir-se em diferenças de desempenho num novo ambiente comum. De facto, as populações apresentaram diferenças em várias características da história da vida nas primeiras 11 gerações estudadas. Contudo, as populações de ambas as fundações não exibiram, em geral, mudanças temporais ao longo das gerações. Possivelmente, com futuros ensaios será detectada uma tendência evolutiva. Após se verificar que havia alguma diferenciação inicial entre populações, testou-se se haviam ou não barreiras reprodutivas entre as populações da Adraga e de Groningen. Para tal, realizaram-se quer ensaios de comportamento de acasalamento quer cruzamentos entre as duas populações, feitos para determinar se havia uma preferência na escolha de parceiros sexuais por fêmeas, e se os híbridos tinham ou não um menor desempenho do que as populações parentais. Verificou-se que, na geração 5, as fêmeas das populações Adraga e Groningen demonstraram uma preferência de acasalamento com machos da sua própria população. Nos ensaios nos quais a fêmea não tinha a hipótese de escolha, houve diferenças entre os dois tipos de machos, tanto na latência da corte como na duração do acasalamento. Os machos de Groningen demoraram menos tempo em média a iniciar a corte do que os machos Adraga. Para além disso, as fêmeas da Adraga acasalaram durante mais tempo com os machos da sua própria população do que com machos de Groningen. Nos ensaios nos quais a fêmea podia escolher o macho com quem acasalar, houve um maior número de acasalamentos homogâmicos que heterogâmicos. Verificou-se ainda que os machos de Groningen acasalaram um maior número de vezes do que os machos da Adraga. No entanto, não foi detectado ‘hybrid breakdown’ entre as populações. Isto pode dever-se ao facto de estas populações fazerem parte de uma população contínua que atravessa a Europa e que, nestes casos, uma barreira de comportamento de acasalamento evolui primeiro do que a esterilidade e/ou inviabilidade de híbridos. Um segundo conjunto de ensaios de comportamento de acasalamento foi feito após várias gerações de adaptação ao laboratório, para determinar se esta adaptação levaria a mudanças na barreira reprodutiva etológica como, por exemplo, redução devido ao relaxamento das forças selectivas ou aumento devido a contingências evolutivas. Entre os ensaios realizados nas gerações 5 e 10, o acasalamento preferencial desapareceu, indicando um relaxamento das pressões selectivas no novo ambiente comum. Em resumo, este estudo revelou-se pertinente na medida em que estabeleceu que as populações do extremo do cline estão diferenciadas e que existem barreiras reprodutivas pre-zigóticas entre as mesmas. Isto indicia que barreiras reprodutivas comportamentais estarão provavelmente envolvidas na manutenção desse mesmo cline ao longo do tempo. Estas mostraram-se, no entanto, bastante incipientes, sendo que desapareceram ao fim de apenas cinco gerações de selecção. Sendo assim, se neste estudo não estivessem envolvidos ensaios em duas gerações diferentes, não se teria qualquer conhecimento do desaparecimento das barreiras reprodutivas. Isso implica que todos os estudos de isolamento reprodutor têm, à partida, necessidade de ter uma componente temporal, de modo a determinar a presença ou não de barreiras reprodutivas se mantém ao longo do tempo

Laboratory Selection Quickly Erases Historical Differentiation

The roles of history, chance and selection have long been debated in evolutionary biology. Though uniform selection is expected to lead to convergent evolution between populations, contrasting histories and chance events might prevent them from attaining the same adaptive state, rendering evolution somewhat unpredictable. The predictability of evolution has been supported by several studies documenting repeatable adaptive radiations and convergence in both nature and laboratory. However, other studies suggest divergence among populations adapting to the same environment. Despite the relevance of this issue, empirical data is lacking for real-time adaptation of sexual populations with deeply divergent histories and ample standing genetic variation across fitness-related traits. Here we analyse the real-time evolutionary dynamics of Drosophila subobscura populations, previously differentiated along the European cline, when colonizing a new common environment. By analysing several life-history, physiological and morphological traits, we show that populations quickly converge to the same adaptive state through different evolutionary paths. In contrast with other studies, all analysed traits fully converged regardless of their association with fitness. Selection was able to erase the signature of history in highly differentiated populations after just a short number of generations, leading to consistent patterns of convergent evolution

Data from: Wing trait-inversion associations in Drosophila subobscura can be generalized within continents, but may change through time

Clinal variation is one of the most emblematic examples of the action of natural selection at a wide geographical range. In Drosophila subobscura parallel clines in body size and inversions, but not in wing shape, were found in Europe and South and North America. Previous work has shown that a bottleneck effect might be largely responsible for differences in wing trait-inversions association between one European and one South American population. One question still unaddressed is if the associations found before are present across other populations of the European and South American clines. Another open question is whether evolutionary dynamics in a new environment can lead to relevant changes in wing traits-inversions association. In order to analyze geographical variation in these associations, we characterized three recently laboratory founded Drosophila subobscura populations from both the European and South American latitudinal clines. To address temporal variation, we also characterized the association at a later generation in the European populations. We found that wing size and shape associations can be generalized across populations of the same continent, but may change through time for wing size. The observed temporal changes are probably due to changes in the genetic content of inversions, derived from adaptation to the new, laboratory environment. Finally, we show that it is not possible to predict clinal variation from intrapopulation associations. All in all this suggests that, at least in the present, wing traits-inversion associations are not responsible for the maintenance of the latitudinal clines in wing shape and size

Simulations and Bootstrap

R code used to generate the simulations of the association between centroid size and standard dose and the bootstrap of the observed associations

Data from: Laboratory selection quickly erases historical differentiation

The roles of history, chance and selection have long been debated in evolutionary biology. Though uniform selection is expected to lead to convergent evolution between populations, contrasting histories and chance events might prevent them from attaining the same adaptive state, rendering evolution somewhat unpredictable. The predictability of evolution has been supported by several studies documenting repeatable adaptive radiations and convergence in both nature and laboratory. However, other studies suggest divergence among populations adapting to the same environment. Despite the relevance of this issue, empirical data is lacking for real-time adaptation of sexual populations with deeply divergent histories and ample standing genetic variation across fitness-related traits. Here we analyse the real-time evolutionary dynamics of Drosophila subobscura populations, previously differentiated along the European cline, when colonizing a new common environment. By analysing several life-history, physiological and morphological traits, we show that populations quickly converge to the same adaptive state through different evolutionary paths. In contrast with other studies, all analysed traits fully converged regardless of their association with fitness. Selection was able to erase the signature of history in highly differentiated populations after just a short number of generations, leading to consistent patterns of convergent evolution

Data from: How much can history constrain adaptive evolution? A real time evolutionary approach of inversion polymorphisms in Drosophila subobscura

Chromosomal inversions are present in a wide range of animals and plants, having an important role in adaptation and speciation. Although empirical evidence of their adaptive value is abundant, the role of different processes underlying evolution of chromosomal polymorphisms is not fully understood. History and selection are likely to shape inversion polymorphism variation to an extent yet largely unknown. Here, we perform a real-time evolution study addressing the role of historical constraints and selection in the evolution of these polymorphisms. We founded laboratory populations of Drosophila subobscura derived from three locations along the European cline and followed the evolutionary dynamics of inversion polymorphisms throughout the first 40 generations. At the beginning, populations were highly differentiated and remained so throughout generations. We report evidence of positive selection for some inversions, variable between foundations. Signs of negative selection were more frequent, in particular for most cold-climate standard inversions across the three foundations. We found that previously observed convergence at the phenotypic level in these populations was not associated with convergence in inversion frequencies. In conclusion, our study shows that selection has shaped the evolutionary dynamics of inversion frequencies, but doing so within the constraints imposed by previous history. Both history and selection are therefore fundamental to predict the evolutionary potential of different populations to respond to global environmental changes

Raw Data and Average statistics

In this excel book you can find the raw data for the three populations analyzed in each continent (Europe and South America) and the two generations of the European populations analyzed (6 and 25). Additionally, there are also tables with the basic statistics (average and standard deviation) of centroid size and wing shape for each inversion analyzed, separated by replicate population and generation

Data from: Evolution of mating behaviour between two populations adapting to common environmental conditions

Populations from the same species may be differentiated across contrasting environments, potentially affecting reproductive isolation among them. When such populations meet in a novel common environment, this isolation may be modified by biotic or abiotic factors. Curiously, the latter have been overlooked. We filled this gap by performing experimental evolution of three replicates of two populations of Drosophila subobscura adapting to a common laboratorial environment, and simulated encounters at three time points during this process. Previous studies showed that these populations were highly differentiated for several life-history traits and chromosomal inversions. First, we show initial differentiation for some mating traits, such as assortative mating and male mating rate, but not others (e.g., female mating latency). Mating frequency increased during experimental evolution in both sets of populations. The assortative mating found in one population remained constant throughout the adaptation process, while disassortative mating of the other population diminished across generations. Additionally, differences in male mating rate were sustained across generations. This study shows that mating behavior evolves rapidly in response to adaptation to a common abiotic environment, although with a complex pattern that does not correspond to the quick convergence seen for life-history traits