Evolution of Phenotypic plasticity in ecologically diverging populations of Arctic charr (Salvelinus alpinus)

Abstract

Since intraspecific phenotypic diversity is the raw material for adaptive divergence, understanding its origin is important for understanding evolution and conservation of biodiversity. Intraspecific diversity mainly arises from genetic diversity and environmental factors. Developmental plasticity, the capacity of a genotype to produce different phenotypes, may influence phenotypic divergence. This was addressed by studying Arctic charr (Salvelinus alpinus) morphs in Iceland, that have adapted to life on different food sources, most notably along an axis of benthic-pelagic habitats. The main research questions were, 1) how do craniofacial traits in morphs with different ecological specialization differ, and 2) how does plasticity evolve in these traits? To answer these questions, morphometric analyses were done on craniofacial traits in Arctic charr from different populations that were subjected to benthic or pelagic feeding treatment. Linear measurements were made on photos of 1816 charr from 5 populations (a putative ancestor, two from a lake with highly derived morphs and two from a lake with less divergence) and 3 hybrids. ANOVA, ANCOVA and regression were used to compare differences among means and assess allometric slopes by morphs and treatments. The results indicated that some traits diverged from the ancestor, but to a different level depending on morph and lake, developmental plasticity varied by trait, and the responses in some traits corresponded to known adaptations along the benthic-pelagic axis. To iterate, there was an association between plasticity and adaptive divergence for some traits. There was no indication of inheritance of plasticity in specific traits, even though the parental types were plastic. The results shed light on the origins of morphological diversity.

Þar sem útlitsbreytileiki innan stofna er grundvöllur náttúrulegs vals og aðlögunar, er mikilvægt að skilja tilurð hans til að fá betri skilning á þróun og varðveislu líffræðilegs fjölbreytileika. Útiltsbreytileiki stafar aðallega af erfðafræðilegum fjölbreytileika og umhverfisþáttum. Sveigjanleiki í svipfari (e. phenotypic plasticity), er hæfileiki arfgerða til að búa til ólíkar svipgerðir eftir umhverfi, og gæti tengst þróun nýrra svipgerða. Rannsóknin fjallar um þetta með tilraunum á bleikju (Salvelinus alpinus) afbrigðum á Íslandi sem hafa aðlagast mismunandi búsvæðum og fæðu, sér í lagi botnlægri eða sviflægri fæðu. Megin rannsóknarspurningarnar voru, 1) hver er munurinn milli einkenna í höfði hjá afbrigðum sem eru mis sérhæfð, og 2) hvernig hefur sveigjanleiki í svipfari þessara einkenna þróast? Til að svara þessum spurningum var notast við útlitsgreiningu (e. morphometics) á höfuð eiginleika bleikju frá mismunandi stofnum sem var gefin botn- eða sviflæg fæðumeðferð. Línulegar mælingar voru gerðar á myndum af 1816 bleikjum fimm afbrigða (sjóbleikju, tvö mjög ólík afbrigði úr einu vatni og tvö minna aðskilin afbrigði úr öðru vatni) og 3 blendinga. ANOVA, ANCOVA og aðhvarfsgreiningar voru notaðar til bera saman mun milli meðaltala og hallatölur milli hópa og meðferða. Niðurstöðurnar sýndu að sumir eiginleikar hafa þróast, þeir voru misfrábrugðnir eftir afbrigðum og vötnum, sveigjanleiki í svipfari var misjafn eftir eiginleikum, og var samræmi í sveiganlegu svari og þróun eftir botnlægt-sviflægt ás. Niðurstöður rannsóknarinnar undirstrika að einhver tengsl eru milli sveiganlegrar svörunar svipfars og aðlögunar, í vissum eiginleikum. Einnig benda niðurstöður til þess að afleidd afbrigði erfa ekki svipfars sveigjanleika frá foreldrum, jafnvel þegar foreldrarnir eru úr stofnum með sveiganlegt svipfar. Niðurstöðurnar varpa ljósi á uppruna útlistbreytileika.