The genomic basis of temperature adaptation across space

Hvordan tilpasser organismer seg til sitt lokale miljø? Dette spørsmålet står sentralt i evolusjonsbiologien. I en tid med menneskeskapt klimaendringer haster det med å forutsi om bestander og arter vil være i stand til å tilpasse seg fremtidige forhold. For å forstå tilpasning fullt ut, må vi identifisere de ansvarlige genene. Vi må spesielt analysere hvordan disse genene endres på tvers av artens utbredelsesområde, og hvilke populasjoner som inneholder genetiske varianter som kan hjelpe dem å reagere på endrede miljøer i fremtiden. Dette prosjektet har som mål å bidra til disse målene ved å studere det genetiske grunnlaget for temperaturtilpasning i stor detalj. Vi fokuserer på en ideell studieart, den marine sneglen Littorina saxatilis, som er et sentralt medlem av marine økosystemer. I stor skala dekker arten et bredt spekter fra varmt (f.eks. Spania) til kaldt vann (f.eks. Nord-Norge). I liten skala okkuperer den klipper med bratte temperaturgradienter på hvert sted. Vårt hovedmål er å identifisere genene som bidrar til temperaturtilpasning, spørre hvor de er lokalisert i genomet, og teste om det genetiske grunnlaget for tilpasning varierer geografisk. For eksempel tester vi om de samme genene bidrar til tilpasning på ulike geografiske steder, og om tilpasning i små skalaer (strandnivå) og store skalaer (breddegradienter) bruker de samme genene. Så langt har vi samlet inn snegler fra et stort antall steder over hele Europa og Nord-Amerika både fra den høye og lave kysten og sekvensert genomene deres. Vi har identifisert gener som potensielt kan bidra til kystnivåtilpasning (småskala temperaturgradienter) i Sverige, Spania og Norge. Vi finner at disse genene overlapper betydelig mellom Norge og Sverige, noe som indikerer et lignende genetisk grunnlag for tilpasning; derimot, i Spania ser det genetiske grunnlaget for tilpasning ut til å være stort sett annerledes, i samsvar med at spanske populasjoner har vært isolert fra skandinaviske populasjoner i lang tid. Vi har også utviklet en metode for å studere kromosomale omorganiseringer - storskala mutasjoner som er spådd å bidra til tilpasning - i sammenslåtte helgenomsekvenseringsdata. Ved å bruke denne tilnærmingen kunne vi vise at kromosomale inversjoner sterkt bidrar til kystnivåtilpasning i systemet vårt. I tillegg har vi identifisert fysiologiske egenskaper som skiller snegler fra den høye og lave kysten selv om de bor bare meter fra hverandre. Disse inkluderer hjertefrekvensresponser på høye temperaturer og tiden det tar en snegle å falle ned fra en vertikal overflate når den utsettes for varme. Vi har utviklet analyser for å måle disse egenskapene i et stort antall individer og bruker for tiden disse på snegler fra laboratoriekryss. Dette vil tillate oss å identifisere og sammenligne det genetiske grunnlaget for disse egenskapene hos snegler fra Sverige, Spania og Norge. Vi utsetter også for tiden snegler fra flere steder for forskjellige temperaturer for å studere genuttrykksprofiler. Til slutt har vi tatt prøver av et stort antall snegler fra en populasjon som nylig ble introdusert til vann som er uvanlig varmt for denne arten (Middelhavet), som etterligner klimaendringer. Vi har målt ulike egenskaper hos disse sneglene, inkludert egenskaper som reflekterer temperaturtilpasning, og sekvenserer for tiden genomene deres. I løpet av de neste månedene vil vi bruke disse dataene til å identifisere opprinnelsen til denne menneskeintroduserte populasjonen og for å teste for signaturer av nylig seleksjon i genomet.

How do organisms adapt to their local environment? This question is a main focus of evolutionary biology. It becomes especially urgent in times of anthropogenic climate change, as we need to predict whether populations and species will be able to adapt to future conditions. To fully understand adaptation, we need to identify the underlying genes and genomic regions. In particular, we need to analyse how adaptive genetic variation is distributed across the species range, and whether genetic variation necessary for responding to future conditions is available locally. The proposed project will make a substantial contribution towards this goal by studying the genetic basis of temperature adaptation across space and in exceptional detail. We will focus on an ideal model system, the marine snail Littorina saxatilis, a key member of marine ecosystems. On the large scale, the species covers a wide latitudinal range from warm (e.g. Spain) to cold waters (e.g. northern Norway). On the small scale, L. saxatilis occupies cliffs with steep temperature gradients in each location. We will identify the genomic regions underlying temperature adaptation and study their distribution in the genome. For that, we will use a set of complementary approaches (genomes scans, QTL mapping, gene expression analysis, cline analysis, and quantitative genetics), allowing for comprehensive insights. We will especially focus on how adaptive variation is distributed across space, testing whether the same genes contribute to adaptation in different geographical locations, and whether adaptation on small scales (shore levels) and large scales (latitudinal gradients) has the same genetic basis. We will also include a population recently introduced to waters unusually warm for this species (Mediterranean), mimicking climate change. Our work will represent a pioneering case study useful for the communities of evolutionary biologists, conservation biologists, and conservation practitioners.