Advanced

Genomic analyses of migratory divides in the willow warbler

Lundberg, Max LU (2014)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Fågelflyttning omfattar några av de mest fascinerande beteendemässiga anpassningarna vi finner i naturen. Hos många fågelarter flyttar unga fåglar obereoende av erfarna vuxna individer och kräver således medfödd information om flyttningsvägar, rastning och övervintringsområden. Denna information har visat sig bestå av ett nedärvt program

som innehåller flyttningsriktningar och ett tidschema som innehåller information när och hur länge de ska flytta. Utöver dessa beteendemässiga anpassningar finns också flera morfologiska, fysiologiska och immunologiska anpassningar. Trots att flera anpassningar har visat sig vara genetiskt betingade, är idag infomationen mycket bristfällig över vilka... (More)
Popular Abstract in Swedish

Fågelflyttning omfattar några av de mest fascinerande beteendemässiga anpassningarna vi finner i naturen. Hos många fågelarter flyttar unga fåglar obereoende av erfarna vuxna individer och kräver således medfödd information om flyttningsvägar, rastning och övervintringsområden. Denna information har visat sig bestå av ett nedärvt program

som innehåller flyttningsriktningar och ett tidschema som innehåller information när och hur länge de ska flytta. Utöver dessa beteendemässiga anpassningar finns också flera morfologiska, fysiologiska och immunologiska anpassningar. Trots att flera anpassningar har visat sig vara genetiskt betingade, är idag infomationen mycket bristfällig över vilka gener som ligger till grund för flyttningsbeteendet. Den bristande kännedomen om särskilda flyttningsgener begränsar en detaljerad förståelse av flyttningens mekanismer och evolution. Exempelvis, har liknande anpassningar hos flyttande fjärilar och fåglar samma genetiska uppbyggnad?

I denna avhandling använder jag mig av lövsångaren som ett studiesystem.

Lövsångaren förekommer med två olika underarter i Europa: trochilus i sydväst och acredula i norr och i öst. Ringåterfynd och analyser av stabila isotoper i fjädrar har visat att underarterna använder sig av olika flyttningsvägar och övervintrar i olika delar av Afrika. Medan trochilus flyttar sydväst till övervintringsområden i västra Afrika, flyttar acredula syd och sydöst till övervintringsområden i östra och södra Afrika. Genetiskt sett är de båda underarterna ytterst lika. Den omfattande likheten kan förväntas göra det lättare att hitta gener under divergerande selektion mellan underarterna, eftersom

dessa kommer att vara betydligt mer skilda åt än genomsnittsgenen. Med tanke på att underarterna i övrigt till utseende och ekologi är mycket lika, förväntas merparten av de gener som varierar mellan underarterna att ha att göra med anpassningar till deras olika flyttningsstrategier. I denna avhandling använder jag mig av flera olika storskaliga

molekylära metoder för att hitta genetiska skillnader mellan två underarter av lövsångare.

Jag har funnit att genetiska skillnader mellan underarterna är begränsade till regioner på tre olika kromosomer som var och en innefattar många gener. Dessa kromosomregioner uppvisar mycket begränsad rekombination mellan underarterna vilket

tyder på att de skulle kunna hållas samman av inversioner. En region på kromosom 3 är inte specifikt kopplad till de olika underarterna utan tycks vara inblandad i anpassningar till häckning i alpina miljöer. De övriga två kromosomregionerna innehåller genetisk

variation som är unik till var och en av underarterna. I en av dessa regioner, på kromosom 1, återfinns den största skillnaden mellan underarterna nära genen FOXO1.

Denna gen har visat sig ha en betydande roll vid bildande av fettceller och glukos. I den andra regionen på kromosom 5 finns ett överskott av gener som är inblandade i regleringen av omättade fettsyror. Detta skulle kunna betyda att de båda kromosomregionerna har att göra med anpassningar till omsättning av fett i samband med flyttningen.

Framtida studier av genetiken hos flyttning skulle gynnas av en fullständig kartläggning av arvsmassan hos flyttande fåglar. Med en kartlagd arvsmassa skulle flera molekylära tekniker med mycket hög upplösning kunna användas. Dessa skulle bidra till att man mer precist kan lokalisera var skillnader i arvsmassan finns och förbättra upplösningen i differentierade kromosomregioner (dvs. kunna identifiera

vilka specifika gener som är av betydelse). Ytterligare ett steg vore att koppla samman genetisk variation med särskilda fenotypiska egenskaper. För detta ändamål kommer effektiv och noggrann mätning av flyttfåglars beteende att vara avgörande. (Less)
Abstract
In many species of birds juveniles migrate independently of experienced adults and thus have to rely on innate information about migratory routes and wintering area. This information is encoded as a set of inherited migratory directions and a timing schedule

that provides information on when and how far to migrate. Apart from these remarkable behavioral adaptations, migration also requires several morphological, physiological and immunological adaptations. Although many migratory traits have been demonstrated

to have strong heritable basis, virtually nothing is known about the specific genes underlying them. The lack of known migration genes limits a deeper understanding of the mechanistic processes and evolution of... (More)
In many species of birds juveniles migrate independently of experienced adults and thus have to rely on innate information about migratory routes and wintering area. This information is encoded as a set of inherited migratory directions and a timing schedule

that provides information on when and how far to migrate. Apart from these remarkable behavioral adaptations, migration also requires several morphological, physiological and immunological adaptations. Although many migratory traits have been demonstrated

to have strong heritable basis, virtually nothing is known about the specific genes underlying them. The lack of known migration genes limits a deeper understanding of the mechanistic processes and evolution of migration. In this thesis, I use the willow

warbler Phylloscopus trochilus to explore the molecular genetics of migration. The willow warbler occurs with two subspecies in Europe. Ringing recoveries and stable isotopes have demonstrated that the subspecies use different migratory routes and wintering areas. An extremely low genetic differentiation and otherwise similar phenotypes, suggest that most of the genetic differences are likely to be involved in adaptations to the different migratory strategies of the subspecies. Here I use several different high throughput molecular techniques to identify differences between the subspecies. I find that genetic differences between the willow warbler subspecies are clustered in three

divergent regions on different chromosomes, which each span several million base pairs and are comprised of numerous coding genes. The regions show restricted recombination between the warbler subspecies and could be maintained by inversions. A region on chromosome 3 is not specifically associated with the subspecies, but appears to be

involved in adaptations to high altitude and latitude environments. The two other chromosome regions contain subspecies-specific variation. In a region on chromosome 1, genetic differentiation peaks close to the gene FOXO1, which is important in the formation of fat cells and gluconeogenesis. In the other region, which is located on chromosome 5, there is an enrichment of gene functions associated with fatty acid

genes. The functions of these genes suggest that the two chromosome regions could be associated with adaptations to fuelling. Future studies on genetics of migration would benefit from assembled genomes that could be used as a basis for several high-resolution

molecular techniques that could detect more localized differences and provide higher resolution of divergent chromosome regions. There is also a need to associate particular genes or chromosome regions with particular phenotypes. This would be aided by efficient

and precise high-throughput phenotyping for example by new tracking technologies or controlled behavioral experiments in laboratories. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Cresko, William B., University of Oregon, Institute of Ecology and Evolution
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
pages
180 pages
publisher
Department of Biology, Lund University
defense location
Blå Hallen, Ecology Building, Lund
defense date
2014-11-07 09:30
ISBN
978-91-7623-135-7
978-91-7623-134-0
project
Migratory genes in willow warblers
language
English
LU publication?
yes
id
b19164cc-5cb3-496f-8ced-2fb3c7d70e1a (old id 4695820)
date added to LUP
2014-10-16 15:18:55
date last changed
2016-09-19 08:45:07
@misc{b19164cc-5cb3-496f-8ced-2fb3c7d70e1a,
  abstract     = {In many species of birds juveniles migrate independently of experienced adults and thus have to rely on innate information about migratory routes and wintering area. This information is encoded as a set of inherited migratory directions and a timing schedule<br/><br>
that provides information on when and how far to migrate. Apart from these remarkable behavioral adaptations, migration also requires several morphological, physiological and immunological adaptations. Although many migratory traits have been demonstrated<br/><br>
to have strong heritable basis, virtually nothing is known about the specific genes underlying them. The lack of known migration genes limits a deeper understanding of the mechanistic processes and evolution of migration. In this thesis, I use the willow<br/><br>
warbler Phylloscopus trochilus to explore the molecular genetics of migration. The willow warbler occurs with two subspecies in Europe. Ringing recoveries and stable isotopes have demonstrated that the subspecies use different migratory routes and wintering areas. An extremely low genetic differentiation and otherwise similar phenotypes, suggest that most of the genetic differences are likely to be involved in adaptations to the different migratory strategies of the subspecies. Here I use several different high throughput molecular techniques to identify differences between the subspecies. I find that genetic differences between the willow warbler subspecies are clustered in three<br/><br>
divergent regions on different chromosomes, which each span several million base pairs and are comprised of numerous coding genes. The regions show restricted recombination between the warbler subspecies and could be maintained by inversions. A region on chromosome 3 is not specifically associated with the subspecies, but appears to be<br/><br>
involved in adaptations to high altitude and latitude environments. The two other chromosome regions contain subspecies-specific variation. In a region on chromosome 1, genetic differentiation peaks close to the gene FOXO1, which is important in the formation of fat cells and gluconeogenesis. In the other region, which is located on chromosome 5, there is an enrichment of gene functions associated with fatty acid<br/><br>
genes. The functions of these genes suggest that the two chromosome regions could be associated with adaptations to fuelling. Future studies on genetics of migration would benefit from assembled genomes that could be used as a basis for several high-resolution<br/><br>
molecular techniques that could detect more localized differences and provide higher resolution of divergent chromosome regions. There is also a need to associate particular genes or chromosome regions with particular phenotypes. This would be aided by efficient<br/><br>
and precise high-throughput phenotyping for example by new tracking technologies or controlled behavioral experiments in laboratories.},
  author       = {Lundberg, Max},
  isbn         = {978-91-7623-135-7},
  language     = {eng},
  pages        = {180},
  publisher    = {ARRAY(0xb754a68)},
  title        = {Genomic analyses of migratory divides in the willow warbler},
  year         = {2014},
}