Sex Chromosome Evolution in a Hermaphrodite : Genetic and phenotypic relationships between sex roles

Abstract

Sex chromosome evolution in a hermaphrodite ancestor starts with the establishment of a sex-determining region (SDR). Over time, sex-specific genes, and/or sexually antagonistic alleles will become linked to the SDR. Sexually antagonistic alleles are a type of genetic variation that increases fitness for one sex while being detrimental for the other sex. Recombination arrest around the SDR and genes linked to it will evolve, effectively preventing breaking up of advantageous gene combinations. Eventually, the region of recombination arrest will increase as more sex-specific genes migrate to the proto-sex chromosome, and this will in the end lead to degenerated sex chromosomes where deleterious mutations accumulate and genes are lost. However, most research to date has focused on old, already degenerated sex chromosomes, and relatively few have looked at the very initial phases of sex chromosome evolution. In this thesis, I aimed at producing a deeper understanding of the very beginning of sex chromosome evolution in a hermaphrodite ancestor. I do this both with sex-limited experimental evolution, simulating the evolution of a sex chromosome in a hermaphrodite (the simultaneous hermaphroditic flatworm Macrostomum lignano), and by examining the relationships between male and female fitness components in the study species. When mimicking the evolution of a sex chromosome, a genetic marker (GFP, green fluorescent protein) acted as a sex-determining gene. In the male-limited selection, the marker was passed through sperm (fitness through male sex role), and in the female-limited selection, it passed through eggs (i.e. fitness though female sex role). There were 4 replicate populations per treatment (male-limited, female-limited and control treatment).

Here, I show that additive genetic variance for female fitness is three times larger than male fitness in stock populations of M. lignano. I also found that additive genetic variance was environment-specific, and the difference depended on the sex-role. The relationship between male and female fitness was weak both on the genetic and phenotypic level, and it did not seem to change across environments. This indicates that male and female fitness function can evolve independently from each other, and that there was no sexual antagonism between sex roles. Despite this, we could show evidence of a genetically-based trade-off in the sex-limited experimental evolution, indicating that we might have reinforced a negative intersexual genetic correlation between sex roles during the course of the experiment. Gene expression analysis also revealed that the largest number of differentially expressed genes was between the male- and female-limited selection treatments, but there was no expression difference between treatments in the sex-specific organs (antrum and prostate gland). In any case, we could show proof of concept that the early stages of sex chromosome evolution are observable in real time.

Abstract (Swedish)

Svensk sammanfattning
Avhandlingens syfte har varit att studera utvecklingen av en könskromosom i realtid genom att simulera dess framväxt i en hermafroditisk plattmask i laboratoriet. Jag gjorde detta genom att selektera på dels honlig fitness (fitness via ägg), dels hanlig fitness (fitness via spermier) med hjälp av en genetisk markör, som agerade som en könsbestämmande gen. Detta ska efterlikna den process som borde ha skett då utvecklingen av könskromosomer började för flera miljoner år sedan.
Man tror att hanar och honor utvecklades först och att detta ledde till utvecklingen av könskromosomer. Det började med en urpopulation där alla var hermafroditer, det vill säga individer som kunde reproducera sig både som hane och hona. Två olika mutationer behövdes sedan för att utveckla hanar och honor: en som steriliserar han-funktionerna och en annan som steriliserar hon-funktionerna. Utan de mutationerna blir resultatet en population av hermafroditer och hanar, eller det mer vanliga bland växter, hermafroditer och honor. När väl uppdelningen av könen har skett, kunde utvecklingen av könskromosomer ske.
Individerna hade då en könsbestämmande region på en så kallad proto-könskromosom, det vill säga en kromosom som kommer utvecklas till en könskromosom. Intill den könsbestämmande regionen på proto-könskromosomen migrerar gärna gener och gentyper (alleler) som är gynnsamma för just det könet. Vissa alleler som migrerar är sexuellt antagonistiska, vilket betyder att de till exempel är fördelaktiga för hanars fitness samtidigt som de har negativa effekter på honors fitness. På proto-könskromosomen finns nu den könsbestämmande regionen, samt gener som är fördelaktiga för utvecklingen av just det könet. Dock kan den fördelaktiga kombinationen av gener brytas ner genom att kromosompar rekombinerar (även kallat överkorsning). Därför utvecklas en hämning mot överkorsningen precis runt området där de könsspecifika generna och den könsbestämmande regionen sitter. Under evolutionens gång migrerar fler och fler könsspecifika gener till proto-könskromosomen, och området som hämmats mot överkorsning ökar sakta men säkert tills det eventuellt kan täcka hela kromosomen. Det är precis vad som har hänt i människans Y-kromosom. Forskning har också visat att hämningen av rekombination har resulterat i att Y-kromosomen innehåller få gener och många skadliga mutationer. Teorierna är svåra att bevisa genom att studera könskromosomer som har funnits i flera miljoner år hos till exempel bananflugan eller människan.
Min avhandling kretsar kring teorin om könskromosomers uppkomst i en hermafroditisk urpopulation, och speciellt kring vad som händer i de första utvecklingsfaserna. Jag har undersökt detta både på fenotypisk och genetisk nivå. Hypotesen var att de han-selekterade populationerna efter flera generationer skulle bli bättre på att vara hanar (få fler avkommor via spermier), medan de hon-selekterade populationerna skulle bli bättre på att vara honor (få fler avkommor via ägg). På gen-nivå är min hypotes att gener som gynnade hanar eller honor skulle koncentreras nära den genetiska markören, och att uttrycket av hon-specifika gener skulle vara högre i de hon-selekterade populationerna, medan uttrycket av han-specifika gener skulle vara högre i de han-selekterade populationerna.
Jag undersökte också relationen mellan hanlig och honlig fitness. För att hermafroditer ska utvecklas till hanar och honor måste det finnas en fördel med det. Det är då antagonistiska gener kommer in i bilden. Jag undersökte på fenotypisk och genetisk nivå om de hermafroditiska maskarna fick kompromissa mellan att vara framgångsrika som hanar eller honor. Vad fanns det för korrelation mellan hanlig och honlig fitness? Svaret är att i populationer som inte var utsatta för könsspecifik selektion fanns det ingen korrelation alls, vilket betyder att honlig och hanlig fitness fungerar oberoende av varandra. Däremot, efter 14 generationer av evolution, kunde jag se en genetisk trade-off mellan hanlig och honlig fitness. Kanske var detta tydligare i den experimentella evolutionen. Denna trade-off är beviset på att evolutionen i laboratoriet har fungerat och att vi faktiskt kan undersöka hur en könskromosom utvecklas i realtid. Dessutom undersökte jag om selektionen ledde till en genetisk respons i populationerna. Det fanns flest signifikant uttryckta gener mellan de han-selekterade och hon-selekterade populationerna, vilket betyder att något definitivt har hänt.
Slutligen fördjupade jag mig i förhållandet mellan den hanliga och honliga könsrollen i hermafroditer. Dels undersökte jag hur stor den genetiska variationen var för hanlig och honlig fitness, dels om den påverkades av ändringar i livsmiljön. Det visade sig att det var större genetisk variation för honlig fitness än hanlig fitness, att den genetiska variationen för fitness ändrades i stressiga miljöer för maskarna (ökad salthalt och lite föda) och ändringen var könsspecifik. Detta tyder på att genetisk variation skiftar och beror på många faktorer. Att det finns genetisk variation i fitness betyder också att det finns något för evolutionen att selektera på.
Jag har kunnat visa att hermafroditer kan svara på könsspecifik selektion och därför att det går att studera hur könskromosomer utvecklas i realtid. Det är jättespännande! I framtiden skulle det vara intressant att titta på kromosomerna i de selekterade populationerna och se om det, i enlighet med evolutionsteorier om könskromosomer, ligger könsspecifika gener runt den genetiska markören som imiterar en könsbestämmande gen. Först då kanske vi kan bekräfta att teorierna om hur könskromosomer utvecklas verkligen stämmer.

• author: Nordén, Anna
• supervisor: Jessica Abbott; Bengt Hansson
• opponent: Prof. Ritchie, Mike, School of Biology, University of St Andrews, United Kingdom
• organization: Evolutionary ecology; Department of Biology
• publishing date: 2017-11
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Natural Sciences; Biological Sciences; Genetics; Evolutionary Biology
• keywords: Sex chromosome evolution, Hermaphrodite, Inter-sexual genetic correlation, Quantitative genetics, Macrostomum lignano, Experimental evolution, Sexual conflict
• pages: 154 pages
• defense location: Lecture hall “Blå hallen”, Ecology building, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2017-11-24 09:30:00
• ISBN: 978-91-7753-473-0
• ISBN: 978-91-7753-474-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3dfa09d4-538a-483f-9502-1bbbd54e883e
• date added to LUP: 2017-10-30 11:57:21
• date last changed: 2018-11-21 21:35:40