MHC class I expression dependent on bacterial infection and parental factors in whitefish embryos (Salmonidae).

Ecological conditions can influence not only the expression of a phenotype, but also the heritability of a trait. As such, heritable variation for a trait needs to be studied across environments. We have investigated how pathogen challenge affects the expression of MHC genes in embryos of the lake whitefish Coregonus palaea. In order to experimentally separate paternal (i.e. genetic) from maternal and environmental effects, and determine whether and how stress affects the heritable variation for MHC expression, embryos were produced in full-factorial in vitro fertilizations, reared singly, and exposed at 208 degree days (late-eyed stage) to either one of two strains of Pseudomonas fluorescens that differ in their virulence characteristics (one increased mortality, while both delayed hatching time). Gene expression was assessed 48 h postinoculation, and virulence effects of the bacterial infection were monitored until hatching. We found no evidence of MHC class II expression at this stage of development. MHC class I expression was markedly down-regulated in reaction to both pseudomonads. While MHC expression could not be linked to embryo survival, the less the gene was expressed, the earlier the embryos hatched within each treatment group, possibly due to trade-offs between immune function and developmental rate or further factors that affect both hatching timing and MHC expression. We found significant additive genetic variance for MHC class I expression in some treatments. That is, changes in pathogen pressures could induce rapid evolution in MHC class I expression. However, we found no additive genetic variance in reaction norms in our study population.

Evolution of gene expression in fire ants: the effects of developmental stage, caste, and species.

Ants provide remarkable examples of equivalent genotypes developing into divergent and discrete phenotypes. Diploid eggs can develop either into queens, which specialize in reproduction, or workers, which participate in cooperative tasks such as building the nest, collecting food, and rearing the young. In contrast, the differentiation between males and females generally depends upon whether eggs are fertilized, with fertilized (diploid) eggs giving rise to females and unfertilized (haploid) eggs giving rise to males. To obtain a comprehensive picture of the relative contributions of gender (sex), caste, developmental stage, and species divergence to gene expression evolution, we investigated gene expression patterns in pupal and adult queens, workers, and males of two species of fire ants, Solenopsis invicta and S. richteri. Microarray hybridizations revealed that variation in gene expression profiles is influenced more by developmental stage than by caste membership, sex, or species identity. The second major contributor to variation in gene expression was the combination of sex and caste. Although workers and queens share equivalent diploid nuclear genomes, they have highly distinctive patterns of gene expression in both the pupal and the adult stages, as might be expected given their extraordinary level of phenotypic differentiation. Overall, the difference in the proportion of differentially expressed genes was greater between workers and males than between workers and queens or queens and males, consistent with the fact that workers and males share neither gender nor reproductive capability. Moreover, between-species comparisons revealed that the greatest difference in gene expression patterns occurred in adult workers, a finding consistent with the fact that adult workers most directly experience the distinct external environments characterizing the different habitats occupied by the two species. Thus, much of the evolution of gene expression in ants may occur in the worker caste, despite the fact that these individuals are largely or completely sterile. Analyses of gene expression evolution revealed a combination of positive selection and relaxation of stabilizing selection as important factors driving the evolution of such genes.

Behavioural types and ecological effects in a natural population of the cooperative cichlid Neolamprologus pulcher

The ecological relevance of behavioural syndromes is little studied in cooperative breeding systems where it is assumed that the behavioural type might influence individual decisions on helping and dispersal (e.g. shy, nonaggressive and nonexplorative individuals remain philopatric and helpful, whereas bold, aggressive, explorative individuals compete for vacancies outside their group and disperse). We measured the behavioural type of 19 subordinates in the cooperatively breeding cichlid fish Neolamprologus pulcher in their natural environment by quantifying six behavioural traits up to four times ('trials') in three different contexts, by presenting them with a conspecific intruder, a predator or nothing inside a tube. We found only moderate within-context repeatability (intraclass correlation coefficients) of the focal individual's behaviour, except for attacking either the conspecific or the predator inside the tube. The focal individual's attack rate of the tube was also positively affected by its group size. Averaging traits per context removed the between-trial variation, and consequently the across-context repeatability was very high for all six traits, except for territory maintenance. Trait values depended significantly on the context, except for territory defence. Consequently, individuals could be classified into different behavioural types based on their reaction towards the tube, but surprisingly, and opposite to laboratory studies in this species, ranging propensity and territory maintenance were not included in this behavioural syndrome. We suggest that more studies are needed to compare standardized focal personality tests (e.g. exploration propensity) with actual behaviour observed in nature (e.g. ranging and dispersal).

Evolutionary and ecological significance of non-shivering thermogenesis in the common vole

La production endogène à long terme de chaleur, même au repos, est une adaptation que l'on retrouve chez les animaux à sang chaud (les oiseaux et les mammifères). Cette production de chaleur a comme but le maintien d'une température constante du corps indépendamment de la température extérieure. A cette fin, les mammifères ont développé une forme de tissu spécialisé nommé tissu adipeux brun (BAT). Ce tissu est responsable de la conversion de nourriture en chaleur, procédé appelé thermogenèse sans frisson (NST = non-shivering thermogenesis). Durant ce procédé la uncoupling protein 1 (UCP1) convertit, au sein des mitochondries, la nourriture en chaleur au lieu de produire de l'ATP, molécule utilisée comme énergie cellulaire. On suppose que cette inefficacité de la conversion de la nourriture en ATP dans le BAT influence l'homéostasie de l'énergie, l'allocation des ressources ainsi que la régulation de processus gourmant en énergie comme la croissance et la reproduction. Afin de maintenir une température du corps constante, les mammifères doivent ajuster leur NST en fonction de la température ambiante. La NST devrait être donc plus importante que la croissance et la reproduction durant l'hiver que lors l'été/à haute altitude qu'à basse altitude. En effet, plusieurs études ont déjà démontré la dépendance de la NST aux divers paramètres environnementaux. Par contre, l'héritabilité de la NST ainsi que sa relation avec d'autres traits de caractère, ne sont que très peu connus, ceci malgré l'importance d'une telle information afin de pouvoir comprendre son potentiel évolutif. L'étude de l'importance évolutive et écologique sur la NST chez les campagnols des champs (Microtus arvalis) fut donc le but cette thèse de doctorat. Grâce aux informations collectées sur 4 générations de campagnols (chapitre 1), une dépendance saisonnière et journalière de la NST a été démontrée: elle augmente lors des périodes froides et diminue lors de la lactation. On a démontré que bien qu'étant plastique, la variation de la NST a une composante génétique significative. Elle est corrélée avec le taux d'activité métabolique au repos indiquant des contraintes intrinsèques. A l'aide d'une expérience de jardin commune, on a pu démontrer dans le chapitre 2 que les campagnols habitant en altitude ont une capacité génétique de thermogenèse sans frisson plus haute que celles de basse altitude. Ils produisent des portées plus petites et leur descendance grandit moins vite, surtout à partir du 10ème jour ce qui coïncide avec le début de la production de chaleur endogène. En choisissant artificiellement des campagnols avec une NST faible ou grande, on a pu démontrer une relation entre la NST et la développement de la masse corporelle. Les campagnols avec une haute NST grandissent plus lentement et sont plus légères à l'âge adulte que celles ayant une basse NST. A l'aide d'un croisement interligne entre les campagnols sélectionnés (avec basse et haute NST), on a pu montrer dans le chapitre 3 des effets « parent-of-origin >> du développement massique de la descendance, indiquant une empreinte génétique parentale. Cela veut dire que l'expression d'un allele dépend de l'origine parentale. De plus, des effets « parent-of-origin » des taux de base de norépinephrine et d'irisine ont pu être trouvés. Ces hormones sont connues pour influencer non seulement la TSF mais aussi d'autres caractéristiques. Ces influences ouvrent la voie à de nouvelles études sur la relation entre la TSF et l'histoire de vie. Dans le chapitre 4 on a démontré des effets à long terme de l'allocation des ressources en manipulant la taille des portées qui ont abouti à des différences dans l'investissement dans la reproduction et de la croissance de la descendance à la fois dans le cas de la reproduction manipulé et aussi dans le non - manipulée entre les femelles avec portées agrandies et réduites. Ensemble, ces résultats mettent en évidence le rôle central de la NST dans l'allocation des ressources sur la base d'un compromis entre le maintien et la croissance et ainsi transforme l'histoire de vie des mammifères. Ces études montrent comment les mammifères peuvent répondre rapidement à court et à long terme (c'est-à-dire par des réponses génétiques ou plastiques) à un changement rapide du climat. On montre aussi qu'il y a probablement une corrélation entre l'histoire de vie et des changements du comportement. Finalement mes résultats ont montré un lien étroit entre la NST et la croissance et les dimensions du corps. Ces résultats indiquent que le tissu adipeux brun et la NST pourraient être une cible thérapeutique intéressante pour traiter l'obésité.

Symbiotic effectiveness and ecological characterization of indigenous Rhizobium loti populations in Uruguay

The objectives of this work were to describe the distribution, density and seasonal variation of the indigenous populations of Rhizobium loti in different Uruguayan soils and to determine the symbiotic effectiveness and stress tolerance factors of different isolates, both with the aim of obtaining selected strains to re-introduce as inoculants in Lotus pastures. R. loti was present in ten soils studied and their densities varied from year to year and within each soil. All the isolates nodulated Lotus corniculatus effectively. The nodules in Lotus pedunculatus and Lotus subbiflorus were small, red on the surface and ineffective in nitrogen fixation. The study of 50 isolates from the ten soils showed high variability in their symbiotic efficiency and tolerance to pH. The indigenous population was acid tolerant in culture medium (pH 4.5), 83% of them could grow at pH 4.5 in 3 days. This work showed that there was a great diversity between the strains of R. loti isolated from Uruguayan soils and supports the importance of selecting among them the most efficient and resistant strains to be included in the inoculants.

Developmental changes in cardiac recovery from anoxia-reoxygenation.

The developing cardiovascular system is known to operate normally in a hypoxic environment. However, the functional and ultrastructural recovery of embryonic/fetal hearts subjected to anoxia lasting as long as hypoxia/ischemia performed in adult animal models remains to be investigated. Isolated spontaneously beating hearts from Hamburger-Hamilton developmental stages 14 (14HH), 20HH, 24HH, and 27HH chick embryos were subjected in vitro to 30 or 60 min of anoxia followed by 60 min of reoxygenation. Morphological alterations and apoptosis were assessed histologically and by transmission electron microscopy. Anoxia provoked an initial tachycardia followed by bradycardia leading to complete cardiac arrest, except for in the youngest heart, which kept beating. Complete atrioventricular block appeared after 9.4 +/- 1.1, 1.7 +/- 0.2, and 1.6 +/- 0.3 min at stages 20HH, 24HH, and 27HH, respectively. At reoxygenation, sinoatrial activity resumed first in the form of irregular bursts, and one-to-one atrioventricular conduction resumed after 8, 17, and 35 min at stages 20HH, 24HH, and 27HH, respectively. Ventricular shortening recovered within 30 min except at stage 27HH. After 60 min of anoxia, stage 27HH hearts did not retrieve their baseline activity. Whatever the stage and anoxia duration, nuclear and mitochondrial swelling observed at the end of anoxia were reversible with no apoptosis. Thus the embryonic heart is able to fully recover from anoxia/reoxygenation although its anoxic tolerance declines with age. Changes in cellular homeostatic mechanisms rather than in energy metabolism may account for these developmental variations.

Violent adolescents and their educational environment: a multilevel analysis.

OBJECTIVE: This study examined the respective roles of personal and environmental factors in youth violence in a nationally representative sample of 7548 postmandatory school students and apprentices ages 16-20 years in Switzerland. METHODS: Youth violence was defined as having committed at least one of the following in the previous 12 months: attacking an adult, snatching something, carrying a weapon, or using a weapon in a fight. Different ecological levels were tested, resulting in a three-level model only in males (individual, classroom, and school) as the low prevalence of female violence did not allow for a multilevel analysis. Dependent variables were attributed to each level. For males, the classroom level (10%) and the school level (24%) accounted for more than one third in interindividual variance. RESULTS: Factors associated with violence perpetration in females were being a victim of physical violence and sensation seeking at the individual level. In males, practicing unsafe sex, sensation seeking, being a victim of physical violence, having a poor relationship with parents, being depressed, and living in a single-parent household at the individual level; violence and antisocial acts at the classroom level; and being in a vocational school at the school level showed a correlation with violence perpetration. CONCLUSION: Interventions at the classroom level as well as an explicit school policy on violence and other risk behaviors should be considered a priority when dealing with the problem of youth violence. Furthermore, prevention should take into account gender differences.

Copy number variation modifies expression profiles over developmental time

Abstract : A preliminary understanding of the phenotypic effect of copy number variation (CNV) of DNA segments is emerging. These rearrangements were shown to influence, in a somewhat dose-dependent manner, the expression of genes mapping within them. They were also shown to modify the expression of genes located on their Hanks, sometimes at great distance. Here, we demonstrate by monitoring these effects at multiple life stages, that these controls over expression are effective throughout mouse development. Similarly, we observe that the more specific spatial expression patterns of CNV genes are maintained through life. However, 'we find that some brain- expressed genes mapping within CNVS appear to be under compensatory loops only at specific time-points, indicating that the effect of CNVS on these genes is modulated during development. Notably, we also observe that CNV genes are significantly enriched within transcripts that show variable time-course expression between strains. Thus, modifying the copy number of a gene may potentially alter not only its expression level, but its timing of expression as well. Résume : Nous commençons à comprendre les effets phénotypiques liés aux séquences d'ADN qui changent de nombre de copies d'un individu a l'autre. Des travaux précédents ont montré que ces variante de nombre de copies (CNVS) avaient une influence sur l'expression non seulement des gènes se trouvant dans le réarrangement, mais aussi sur ceux se trouvant à une certaine distance. Le présent travail étudie ces effets à différents stades du développement de la souris allant d'un embryon de deux semaines à la souris adulte. Nous avons observé que certains gènes exprimés dans le cerveau semblent soumis à un contrôle plus strict a certaines étapes du développement suggèrent que l'effet des CNVs est modulé différemment au cours de la vie. Notre travail sur trois souches différentes de souris a permis de montrer que les gènes ayant un profil d'expression différent dans le temps entre souches sont enrichis en gènes se trouvant dans des CNVs. Ceci nous amène à penser que les CNVs ont, non seulement une influence sur le niveau d'expression des gènes, mais aussi sur les moments durant lesquels ils seront exprimés. Résumé pour un large public : De nombreuses maladies sont dues soit a un gain (on parle alors de duplication) soit à une perte de matériel génétique (il s'agit dune délétion). Bien que les recherches visant à identifier les mécanismes moléculaires liés à ces réarrangements de notre génome progressent continuellement, la plupart des causes des maladies génétiques restent à élucider. Certaines parties de notre génome sont présentes en un nombre de copies qui diffère d'un individu à l'autre sans pour autant provoquer une ou des maladies. Ces segments d'ADN qui varient en nombre sont appelés Copy Number Variant (CNVs). Ils couvrent environ 12% de notre matériel génétique. Des études menées sur différents modèles animaux ont montré que les CNVs avaient une influence aussi bien sur les gènes qui sont a l'intérieur des CNVs que sur ceux qui sont dans leur voisinage. Ce travail étudie l'effet des CNVs à travers différents stades du développement de la souris. Nous avons démontré que les segments d'ADN qui varient en nombre de copies ont des effets variables selon le stade auxquels ils sont mesurés. Ainsi, les CNVs ont non seulement un impact sur l'expression des gènes présents dans ces régions et dans leur voisinage, mais influencent également leurs profils d'expression au cours du temps.

Phenotypic plasticity in salmonid embryos : characterizing pathogen-induced stress effects on heritable variation in traits and reaction norms

Les pressions écologiques peuvent varier tant en nature qu'en intensité dans le temps et l'espace. C'est pourquoi, un phénotype unique ne peut pas forcément conférer la meilleure valeur sélective. La plasticité phénotypique peut être un moyen de s'accommoder de cette situation, en augmentant globalement la tolérance aux changements environnementaux. Comme pour tout trait de caractère, une variation génétique doit persister pour qu'évoluent les traits plastiques dans une population donnée. Cependant, les pressions extérieures peuvent affecter l'héritabilité, et la direction de ces changements peut dépendre du caractère en question, de l'espèce mais aussi du type de stress. Dans la présente thèse, nous avons cherché à élucider les effets des pressions pathogéniques sur les phénotypes et la génétique quantitative de plusieurs traits plastiques chez les embryons de deux salmonidés, la palée (Coregonus palaea), et la truite de rivière (Salmo trutta). Les salmonidés se prêtent à de telles études du fait de leur extraordinaire variabilité morphologique, comportementale et des traits d'histoire de vie. Par ailleurs, avec le déclin des salmonidés dans le monde, il est important de savoir combien la variabilité génétique persiste dans les normes de réaction afin d'aider à prédire leur capacité à répondre aux changements de leur milieu. Nous avons observé qu'une augmentation de la croissance des communautés microbiennes symbiotiques entraînait une mortalité accrue et une éclosion précoce chez la palée, et dévoilait la variance génétique additive pour ces deux caractères (Chapitres 1-2). Bien qu'aucune variation génétique n'ait été trouvée pour les normes de réaction, nous avons observé une variabilité de la plasticité d'éclosion. Néanmoins, on a trouvé que les temps d'éclosion étaient corrélés entre les environnements, ce qui pourrait limiter l'évolution de la norme de réaction. Le temps d'éclosion des embryons est lié à la taille des géniteurs mâles, ce qui indique des effets pléiotropiques. Dans le Chapitre 3, nous avons montré qu'une interaction triple entre la souche bactérienne {Pseudomonas fluorescens}, l'état de dévelopement de l'hôte ainsi que ses gènes ont une influence sur la mortalité, le temps d'éclosion et la taille des alevins de la palée. Nous avons démontré qu'une variation génétique subsistait généralement dans les normes de réaction des temps d'éclosion, mais rarement pour la taille des alevins, et jamais pour la mortalité. Dans le même temps, nous avons exhibé que des corrélations entre environnements dépendaient des caractères phénotypiques, mais contrairement au Chapitre 2, nous n'avons pas trouvé de preuve de corrélations transgénérationnelles. Le Chapitre 4 complète le chapitre précédent, en se plaçant du point de vue moléculaire, et décrit comment le traitement d'embryons avec P. fluorescens s'est traduit par une régulation négative d'expression du CMH-I indépendemment de la souche bactérienne. Nous avons non seulement trouvé une variation génétique des caractères phénotypiques moyens, mais aussi de la plasticité. Les deux derniers chapitres traitent de l'investigation, chez la truite de rivière, des différences spécifiques entre populations pour des normes de réaction induites par les pathogènes. Dans le Chapitre 5, nous avons illustré que le métissage entre des populations génétiquement distinctes n'affectait en rien la hauteur ou la forme des normes de réaction d'un trait précoce d'histoire de vie suite au traitement pathogénique. De surcroît, en dépit de l'éclosion tardive et de la réduction de la taille des alevins, le traitement n'a pas modifié la variation héritable des traits de caractère. D'autre part, dans le Chapitre 6, nous avons démontré que le traitement d'embryons avec des stimuli contenus dans l'eau de conspécifiques infectés a entraîné des réponses propre à chaque population en terme de temps d'éclosion ; néanmoins, nous avons observé peu de variabilité génétique des normes de réaction pour ce temps d'éclosion au sein des populations. - Ecological stressors can vary in type and intensity over space and time, and as such, a single phenotype may not confer the highest fitness. Phenotypic plasticity can act as a means to accommodate this situation, increasing overall tolerance to environmental change. As with any trait, for plastic traits to evolve in a population, genetic variation must persist. However, environmental stress can alter trait heritability, and the direction of this shift can be trait, species, and stressor-dependent. In this thesis, we sought to understand the effects of pathogen stressors on the phenotypes and genetic architecture of several plastic traits in the embryos of two salmonids, the whitefish (Coregonus palaea), and the brown trout (Salmo trutta). Salmonids lend themselves to such studies because their extraordinary variability in morphological, behavioral, and life-history traits. Also, with declines in salmonids worldwide, knowing how much genetic variability persists in reaction norms may help predict their ability to respond to environmental change. We found that increasing growth of symbiotic microbial communities increased mortality and induced hatching in whitefish, and released additive genetic variance for both traits (Chapters 1-2). While no genetic variation was found for survival reaction norms, we did find variability in hatching plasticity. Nevertheless, hatching time was correlated across environments, which could constrain evolution of the reaction norm. Hatching time in the induced environment was also correlated to sire size, indicating pleiotropic effects. In Chapter 3 we report that a three-way interaction between bacterial strain (Pseudomonas fluorescens), host developmental stage, and host genetics impacted mortality, hatching time, and hatchling size in whitefish. We also showed that genetic variation generally persisted in hatching age reaction norms, but rarely for hatchling length, and never for mortality. At the same time, we demonstrated that cross-environmental correlations were trait-dependent, and unlike Chapter 2, we found no evidence of cross-generational correlations. Chapter 4 expands on the previous chapter, moving to the molecular level, and describes how treatment of embryos with P. fluorescens resulted in strain-independent downregulation of MHC class I. Genetic variation was evident not only in trait means, but also in plasticity. In the last two chapters, we investigated population level differences in pathogen- induced reaction norms in brown trout. In Chapter 5, we found that interbreeding between genetically distinct populations did not affect the elevation or shapes of the reaction norms of early life-history traits after pathogen challenge. Moreover, despite delaying hatching and reducing larval length, treatment produced no discernable shifts in heritable variation in traits. On the other hand, in Chapter 6, we found that treatment of embryos with water-borne cues from infected conspecifics elicited population-specific responses in terms of hatching time; however, we found little evidence of genetic variability in hatching reaction norms within populations. We have made considerable progress in understanding how pathogen stressors affect various early life-history traits in salmonid embryos. We have demonstrated that the effect of a particular stressor on heritable variation in these traits can vary according to the trait and species under consideration, in addition to the developmental stage of the host. Moreover, we found evidence of genetic variability in some, but not all reaction norms in whitefish and brown trout.

Calling and career preparation: Investigating developmental patterns and temporal precedence

The presence of a calling and career development are assumed to be closely related. However, the nature of and reason for this relationship have not been thoroughly investigated. We hypothesized the existence of reciprocal effects between calling and three dimensions of career preparation and assessed the change of the presence of a calling, career planning, decidedness, and self-efficacy with three waves of a diverse sample of German university students (N = 846) over one year. Latent growth analyses revealed that the intercepts of calling showed a significant positive correlation with the intercepts of all career preparation measures. The slope of calling was positively related to those of decidedness and self-efficacy but not to planning. Cross-lagged analyses showed that calling predicted a subsequent increase in planning and self-efficacy. Planning and decidedness predicted an increase in the presence of a calling. The results suggest that calling and career preparation are related due to mutual effects but that effects differ for different career preparation dimensions.

Ecological niche overlap in sister species: how do oil-collecting bees Macropis europaea and M. fulvipes (Hymenoptera: Melittidae) avoid competition and hybridization?

Oil-collecting bees are found worldwide and always in association with particular oil-producing flowers. In the Western Palearctic, three oil-collecting bee species within the genus Macropis (Hymenoptera, Melittidae) interact in a tight pollination mutualism with species of the only European oil-producing plant genus Lysimachia L. (Myrsinaceae). Two of these oil-collecting bees (Macropis europaea and Macropis fulvipes) show overlapping geographic distributions, comparable morphologies, and similar ecological characteristics (e.g., habitat type, floral preferences). In view of these similarities, we presume that hybridization should occur between the two species unless potential variation among the species' ecological niches prevents it, simultaneously decreasing competition for resources. Using modern genetic analyses and ecological niche modeling on a large bee sampling throughout Europe, we discuss new perspectives on the ecology and evolutionary history of this mutualism.