Parallel adaptation to changing environments in wild Arabidopsis populations

Tilpasning er en fundamental evolusjonær prosess som gjør at arter kan takle endringer i sitt miljø. Vi vet fremdeles lite om hvordan tilpasning skjer i naturlige bestander på genom-nivå, som består av individuelle gener og ikke-kodende DNA. I den genetisk vel-studerte modellplante-slekten Arabidopsis har fjell-bestander oppstått flere ganger fra lavlands-bestander, et system som er velegnet til å studere dette spørsmålet fra en tverrfaglig angrepsvinkel. I dette prosjektet vil vi sekvensere hele genomer av ville Arabidopsis-bestander og kople dette med felt-eksperimenter for å finne ut hvordan plante-genomer reagerer på en stor miljømessig utfordring: kolonisering av fjellområder etter istiden. Under forskningsoppholdet i Østerrike transplanterte vi planter som stammet fra alpine og fotfeste forhold til hjemmet deres mot utenlandske forhøyninger, og observerte betydelige forskjeller i kondisjon som tyder på at de alpine populasjonene er lokalt tilpasset. Analyse av genomiske data støttet flere parallelle opphav til den distinkte alpine økotypen i fire forskjellige fjellkjeder, og tillot å identifisere kandidatgener knyttet til plantevekst og utvikling som flere ganger har vært mål for seleksjon i forskjellige fjellkjeder. Ved å bruke den uavhengige opprinnelsen adresserte vi generelle spørsmål om evolusjonær forutsigbarhet og demonstrerer en sterk kobling mellom evolusjonsavstanden til avstamninger, tilgjengeligheten av genetisk variasjon som står i fotfedrene og etterfølgende evne til å utvikle parallell genetisk løsning til alpin stress. Vi konkluderer med at adaptiv evolusjon kan være godt forutsigbar når slektslinjer er nært beslektede, men betinget av forskjellige avstamninger, selv om de møter lignende miljøutfordringer. Til sammen dokumenterer våre resultater bemerkelsesverdige evolusjonsplastisiteter av planter når de står overfor hardt, alpint klima.

The results contribute to our understanding of plant adaptation under environmental challenges. By focusing on high-altitude environments, a harsh ecological transition, the results (both theoretical concepts and actual list of adaptive genes and their potential transcriptomic consequences) may inform predictions of the impact of climate change on biodiversity. Our genomic investigation provides a first empirical demonstration of divergence-dependency of repeated genome evolution, exemplified by five-fold independent alpine colonisation. Consequently, our results broadly inform on how predictable plant genome evolution may be, what brings general implications for pest control, nature conservation and predictions on genome evolution. The results shall stimulate research in the Arabidopsis scientific community by providing foundations for follow-up studies on the molecular function of the identified loci, including targets for further crop breeding and temperature resilience.

Adaptation is a fundamental evolutionary process that allows species and populations to cope with changing environment. However, little is still known about the genomic background of adaptation in natural populations. Repeatedly originated alpine ecotypes of plant model Arabidopsis arenosa, so far not subjected to any ecological and/or genomic study, provide exceptional opportunity to characterize how genome responds to dramatic environmental challenge such as was the recent colonization of postglacial alpine habitats. Using comprehensive whole-genome scans of multiple populations coupled with manipulative experiment, I aim at identifying genome-wide set of loci that are consistently associated with alpine phenotype and characterizing genomic landscape of adaptation of wild Arabidopsis populations. By comparing multiple pairs of independently originated ecotypes occupying similar environment, this project will also address role of generality in process of selection and adaptation. Identification of candidate loci that got repeatedly under selection in a plant model genus may also provide important clues for rational crop breeding aimed at tolerance to environmental challenges. The host institution, largely focused on evolution and ecology of alpine organisms ideally matches the project objectives and will provide me in-depth training in relevant fields of ecology and genomics. The project will significantly improve my skills in leading-edge scientific methods (advanced analyses of high-throughput sequence data, design and evaluation of ecological experiments, ecophysiology and metabolomics) and will strengthen my scientific independence through training in project management and international collaboration.