Effects of parental larval diet on egg size and offspring traits in Drosophila.

If a mother's nutritional status predicts the nutritional environment of the offspring, it would be adaptive for mothers experiencing nutritional stress to prime their offspring for a better tolerance to poor nutrition. We report that in Drosophila melanogaster, parents raised on poor larval food laid 3-6% heavier eggs than parents raised on standard food, despite being 30 per cent smaller. Their offspring developed 14 h (4%) faster on the poor food than offspring of well-fed parents. However, they were slightly smaller as adults. Thus, the effects of parental diet on offspring performance under malnutrition apparently involve both adaptive plasticity and maladaptive effects of parental stress.

Within- and among-population impact of genetic erosion on adult fitness-related traits in the European tree frog Hyla arborea.

Assessing in wild populations how fitness is impacted by inbreeding and genetic drift is a major goal for conservation biology. An approach to measure the detrimental effects of inbreeding on fitness is to estimate correlations between molecular variation and phenotypic performances within and among populations. Our study investigated the effect of individual multilocus heterozygosity on body size, body condition and reproductive investment of males (that is, chorus attendance) and females (that is, clutch mass and egg size) in both small fragmented and large non-fragmented populations of European tree frog (Hyla arborea). Because adult size and/or condition and reproductive investment are usually related, genetic erosion may have detrimental effects directly on reproductive investment, and also on individual body size and condition that in turn may affect reproductive investment. We confirmed that the reproductive investment was highly size-dependent for both sexes. Larger females invested more in offspring production, and larger males attended the chorus in the pond more often. Our results did not provide evidence for a decline in body size, condition and reproductive effort with decreased multilocus heterozygosity both within and among populations. We showed that the lack of heterozygosity-fitness correlations within populations probably resulted from low inbreeding levels (inferior to ca. 20% full-sib mating rate), even in the small fragmented populations. The detrimental effects of fixation load were either low in adults or hidden by environmental variation among populations. These findings will be useful to design specific management actions to improve population persistence.

Evolutionary aspects of population structure for molecular and quantitative traits in the freshwater snail Radix balthica.

Detecting the action of selection in natural populations can be achieved using the QST-FST comparison that relies on the estimation of FST with neutral markers, and QST using quantitative traits potentially under selection. QST higher than FST suggests the action of directional selection and thus potential local adaptation. In this article, we apply the QST-FST comparison to four populations of the hermaphroditic freshwater snail Radix balthica located in a floodplain habitat. In contrast to most studies published so far, we did not detect evidence of directional selection for local optima for any of the traits we measured: QST calculated using three different methods was never higher than FST. A strong inbreeding depression was also detected, indicating that outcrossing is probably predominant over selfing in the studied populations. Our results suggest that in this floodplain habitat, local adaptation of R. balthica populations may be hindered by genetic drift, and possibly altered by uneven gene flow linked to flood frequency.

Sex-linked inheritance, genetic correlations and sexual dimorphism in three melanin-based colour traits in the barn owl.

Theory states that genes on the sex chromosomes have stronger effects on sexual dimorphism than genes on the autosomes. Although empirical data are not necessarily consistent with this theory, this situation may prevail because the relative role of sex-linked and autosomally inherited genes on sexual dimorphism has rarely been evaluated. We estimated the quantitative genetics of three sexually dimorphic melanin-based traits in the barn owl (Tyto alba), in which females are on average darker reddish pheomelanic and display more and larger black eumelanic feather spots than males. The plumage traits with higher sex-linked inheritance showed lower heritability and genetic correlations, but contrary to prediction, these traits showed less pronounced sexual dimorphism. Strong offspring sexual dimorphism primarily resulted from daughters not expressing malelike melanin-based traits and from sons expressing femalelike traits to similar degrees as their sisters. We conclude that in the barn owl, polymorphism at autosomal genes rather than at sex-linked genes generate variation in sexual dimorphism in melanin-based traits.

Comparative genomics of yeast species: new insights into their biology

The genomes of two hemiascomycetous yeasts (Saccharomyces cerevisiae and Candida albicans) and one archiascomycete (Schizosaccharomyces pombe) have been completely sequenced and the genes have been annotated. In addition, the genomes of 13 more Hemiascomycetes have been partially sequenced. The amount of data thus obtained provides information on the evolutionary relationships between yeast species. In addition, the differential genetic characteristics of the microorganisms explain a number of distinctive biological traits. Gene order conservation is observed between phylogenetically close species and is lost in distantly related species, probably due to rearrangements of short regions of DNA. However, gene function is much more conserved along evolution. Compared to S. cerevisiae and S. pombe, C. albicans has a larger number of specific genes, i.e., genes not found in other organisms, a fact that can account for the biological characteristics of this pathogenic dimorphic yeast which is able to colonize a large variety of environments.

Decoupled evolution of floral traits and climatic preferences in a clade of Neotropical Gesneriaceae.

BACKGROUND: Major factors influencing the phenotypic diversity of a lineage can be recognized by characterizing the extent and mode of trait evolution between related species. Here, we compared the evolutionary dynamics of traits associated with floral morphology and climatic preferences in a clade composed of the genera Codonanthopsis, Codonanthe and Nematanthus (Gesneriaceae). To test the mode and specific components that lead to phenotypic diversity in this group, we performed a Bayesian phylogenetic analysis of combined nuclear and plastid DNA sequences and modeled the evolution of quantitative traits related to flower shape and size and to climatic preferences. We propose an alternative approach to display graphically the complex dynamics of trait evolution along a phylogenetic tree using a wide range of evolutionary scenarios. RESULTS: Our results demonstrated heterogeneous trait evolution. Floral shapes displaced into separate regimes selected by the different pollinator types (hummingbirds versus insects), while floral size underwent a clade-specific evolution. Rates of evolution were higher for the clade that is hummingbird pollinated and experienced flower resupination, compared with species pollinated by bees, suggesting a relevant role of plant-pollinator interactions in lowland rainforest. The evolution of temperature preferences is best explained by a model with distinct selective regimes between the Brazilian Atlantic Forest and the other biomes, whereas differentiation along the precipitation axis was characterized by higher rates, compared with temperature, and no regime or clade-specific patterns. CONCLUSIONS: Our study shows different selective regimes and clade-specific patterns in the evolution of morphological and climatic components during the diversification of Neotropical species. Our new graphical visualization tool allows the representation of trait trajectories under parameter-rich models, thus contributing to a better understanding of complex evolutionary dynamics.

The genetics of behaviour and other adaptive traits in nine-spined sticklebacks (Pungitius pungitius)

One of the main goals in current evolutionary biology research is to identify genes behind adaptive phenotypic variations. The advances in genomic technologies have made it possible to identify genetic loci behind these variations, also concerning non-model species. This thesis investigates the genetics of the behaviour and other adaptive traits of the nine-spined stickleback (Pungitius pungitius) through the application of different genetic approaches. Fennoscandian nine-spined stickleback populations express large phenotypical differences especially in behaviour, life –history traits and morphology. However the underlying genetic bases for these phenotypical differences have not been studied in detail. The results of the project will lay the foundation for further genetics studies and provide valuable information for our understanding of the genetics of the adaptive divergence of the nine-spined stickleback. A candidate gene approach was used to develop microsatellite markers situating close to candidate genes for behaviour in the nine-spined stickleback. Altogether 13 markers were developed and these markers were used in the subsequent studies with the anonymous random markers and physiologically important gene markers which are already currently available for nine-spined sticklebacks. It was shown that heterozygosity correlated with behaviour in one of the marine nine-spined stickleback populations but with contrasting effects: correlations with behaviour were negative when using physiological gene markers and positive with random markers. No correlation was found between behavioural markers and behaviour. From the physiological gene markers, a strong correlation was found between osmoregulation-related gene markers and behaviour. These results indicate that both local (physiological) and general (random) effects are important in the shaping of behaviour and that heterozygosity– behaviour correlations are population dependent. In this thesis a second linkage map for nine-spined sticklebacks was constructed. Compared to the earlier nine-spined stickleback linkage map, genomic rearrangements were observed between autosomal (LG7) and sex-determing (LG12) linkage groups. This newly constructed map was used in QTL mapping studies in order to locate genomic regions associated with pelvic structures, behaviour and body size/growth. One major QTL was found for pelvic structures and Pitx1 gene was related to these traits as was predicted from three-spined stickleback studies, but this was in contrast to earlier nine-spined stickleback study. The QTL studies also revealed that behaviour and body size/growth were genetically more complex by having more QTL than pelvic traits. However, in many cases, pelvic structure, body size/growth and behaviour were linked to similar map locations indicating possible pleiotropic effects of genes locating in these QTL regions. Many of the gene related markers resided in the QTL area. In the future, studying these possible candidate genes in depth might reveal the underlying mechanism behind the measured traits.

Effets des pratiques sylvicoles sur les traits fonctionnels des communautés végétales de friches arbustives

Différents modes de réhabilitation forestière des sites agricoles abandonnés peuvent affecter la diversité végétale des sites. L’analyse des traits fonctionnels des plantes pourrait permettre de révéler l’effet des différentes pratiques sylvicoles suggérées. L’étude porte sur deux communautés de friches arbustives ayant reçu la plantation de trois espèces d’arbres feuillus. La préparation des sites par un débroussaillement total ou par bande, combinés ou non d’herbicide offre l’occasion de mesurer l’effet de ces traitements sur la distribution des traits fonctionnels des communautés végétales après onze ans. Les résultats d’une analyse du 4e coin montrent un effet des traitements sur les traits fonctionnels des communautés et ce, davantage sur le site où la transmission de la lumière est supérieure. Un débroussaillement par bande permet un recul successionnel moins grand que total, avec la présence de plusieurs traits fonctionnels liés aux espèces de fin de succession tels que les phanérophytes et les espèces à semences de plus grande taille Un débroussaillement total résulte plutôt en une présence accrue des espèces exogènes et des intolérantes à la lumière. L’application d’herbicide influence peu la distribution des traits mais augmente la croissance du noyer noir lors de débroussaillement total et dans une moindre mesure lors de débroussaillement en bande. Le peu de différenciation significative de survie et de croissance en hauteur des arbres entre les traitements permet de proposer un débroussaillement par bande plutôt que total, afin de diminuer le recul successionnel, tout en nécessitant un moins grand recours à l’herbicide.

Genome wide search for genetic determinants of habitual alcohol, tobacco and coffee use, obesity-related traits, response to mental and physical stress and hemodynamic traits

Les habitudes de consommation de substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits cardiovasculaires associés seraient en partie reliés aux mêmes facteurs génétiques. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons effectué, chez 119 familles multi-générationnelles québécoises de la région du Saguenay-Lac-St-Jean, des études d’association et de liaison pangénomiques pour les composantes génétiques : de la consommation usuelle d’alcool, de tabac et de café, de la réponse au stress physique et psychologique, des traits anthropométriques reliés à l’obésité, ainsi que des mesures du rythme cardiaque (RC) et de la pression artérielle (PA). 58000 SNPs et 437 marqueurs microsatellites ont été utilisés et l’annotation fonctionnelle des gènes candidats identifiés a ensuite été réalisée. Nous avons détecté des corrélations phénotypiques significatives entre les substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits hémodynamiques. Par exemple, les consommateurs d’alcool et de tabac ont montré un RC significativement diminué en réponse au stress psychologique. De plus, les consommateurs de tabac avaient des PA plus basses que les non-consommateurs. Aussi, les hypertendus présentaient des RC et PA systoliques accrus en réponse au stress psychologique et un indice de masse corporelle (IMC) élevé, comparativement aux normotendus. D’autre part, l’utilisation de tabac augmenterait les taux corporels d’épinéphrine, et des niveaux élevés d’épinéphrine ont été associés à des IMC diminués. Ainsi, en accord avec les corrélations inter-phénotypiques, nous avons identifié plusieurs gènes associés/liés à la consommation de substances psychoactives, à la réponse au stress physique et psychologique, aux traits reliés à l’obésité et aux traits hémodynamiques incluant CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 et PRKCE. Ces gènes codent pour des protéines constituant un réseau d’interactions, impliquées dans la plasticité synaptique, et hautement exprimées dans le cerveau et ses tissus associés. De plus, l’analyse des sentiers de signalisation pour les gènes identifiés (P = 0,03) a révélé une induction de mécanismes de Potentialisation à Long Terme. Les variations des traits étudiés seraient en grande partie liées au sexe et au statut d’hypertension. Pour la consommation de tabac, nous avons noté que le degré et le sens des corrélations avec l’obésité, les traits hémodynamiques et le stress sont spécifiques au sexe et à la pression artérielle. Par exemple, si des variations ont été détectées entre les hommes fumeurs et non-fumeurs (anciens et jamais), aucune différence n’a été observée chez les femmes. Nous avons aussi identifié de nombreux traits reliés à l’obésité dont la corrélation avec la consommation de tabac apparaît essentiellement plus liée à des facteurs génétiques qu’au fait de fumer en lui-même. Pour le sexe et l’hypertension, des différences dans l’héritabilité de nombreux traits ont également été observées. En effet, des analyses génétiques sur des sous-groupes spécifiques ont révélé des gènes additionnels partageant des fonctions synaptiques : CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (spécifique à l’hypertension), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (spécifique au sexe). Ces gènes codent pour des protéines interagissant avec les protéines de gènes détectés dans l’analyse générale. De plus, pour les gènes des sous-groupes, les résultats des analyses des sentiers de signalisation et des profils d’expression des gènes ont montré des caractéristiques similaires à celles de l’analyse générale. La convergence substantielle entre les déterminants génétiques des substances psychoactives, du stress, de l’obésité et des traits hémodynamiques soutiennent la notion selon laquelle les variations génétiques des voies de plasticité synaptique constitueraient une interface commune avec les différences génétiques liées au sexe et à l’hypertension. Nous pensons, également, que la plasticité synaptique interviendrait dans de nombreux phénotypes complexes influencés par le mode de vie. En définitive, ces résultats indiquent que des approches basées sur des sous-groupes et des réseaux amélioreraient la compréhension de la nature polygénique des phénotypes complexes, et des processus moléculaires communs qui les définissent.

Estimation des corrélations phylogénétiques entre paramètres d'évolution moléculaire et Traits d'histoire de vie

Depuis quelques années, l'évolution moléculaire cherche à caractériser les variations et l'intensité de la sélection grâce au rapport entre taux de substitution synonyme et taux de substitution non-synonyme (dN/dS). Cette mesure, dN/dS, a permis d'étudier l'histoire de la variation de l'intensité de la sélection au cours du temps ou de détecter des épisodes de la sélection positive. Les liens entre sélection et variation de taille efficace interfèrent cependant dans ces mesures. Les méthodes comparatives, quant a elle, permettent de mesurer les corrélations entre caractères quantitatifs le long d'une phylogénie. Elles sont également utilisées pour tester des hypothèses sur l'évolution corrélée des traits d'histoire de vie, mais pour être employées pour étudier les corrélations entre traits d'histoire de vie, masse, taux de substitution ou dN/dS. Nous proposons ici une approche combinant une méthode comparative basée sur le principe des contrastes indépendants et un modèle d'évolution moléculaire, dans un cadre probabiliste Bayésien. Intégrant, le long d'une phylogénie, sur les reconstructions ancestrales des traits et et de dN/dS nous estimons les covariances entre traits ainsi qu'entre traits et paramètres du modèle d'évolution moléculaire. Un modèle hiérarchique, a été implémenté dans le cadre du logiciel coevol, publié au cours de cette maitrise. Ce modèle permet l'analyse simultané de plusieurs gènes sans perdre la puissance donnée par l'ensemble de séquences. Un travail deparallélisation des calculs donne la liberté d'augmenter la taille du modèle jusqu'à l'échelle du génome. Nous étudions ici les placentaires, pour lesquels beaucoup de génomes complets et de mesures phénotypiques sont disponibles. À la lumière des théories sur les traits d'histoire de vie, notre méthode devrait permettre de caractériser l'implication de groupes de gènes dans les processus biologique liés aux phénotypes étudiés.

Études de réseaux d’expression génique : utilité pour l’élucidation des déterminants génétiques des traits complexes

Les traits quantitatifs complexes sont des caractéristiques mesurables d’organismes vivants qui résultent de l’interaction entre plusieurs gènes et facteurs environnementaux. Les locus génétiques liés à un caractère complexe sont appelés «locus de traits quantitatifs » (QTL). Récemment, en considérant les niveaux d’expression tissulaire de milliers de gènes comme des traits quantitatifs, il est devenu possible de détecter des «QTLs d’expression» (eQTL). Alors que ces derniers ont été considérés comme des phénotypes intermédiaires permettant de mieux comprendre l’architecture biologique des traits complexes, la majorité des études visent encore à identifier une mutation causale dans un seul gène. Cette approche ne peut remporter du succès que dans les situations où le gène incriminé a un effet majeur sur le trait complexe, et ne permet donc pas d’élucider les situations où les traits complexes résultent d’interactions entre divers gènes. Cette thèse propose une approche plus globale pour : 1) tenir compte des multiples interactions possibles entre gènes pour la détection de eQTLs et 2) considérer comment des polymorphismes affectant l’expression de plusieurs gènes au sein de groupes de co-expression pourraient contribuer à des caractères quantitatifs complexes. Nos contributions sont les suivantes : Nous avons développé un outil informatique utilisant des méthodes d’analyse multivariées pour détecter des eQTLs et avons montré que cet outil augmente la sensibilité de détection d’une classe particulière de eQTLs. Sur la base d’analyses de données d’expression de gènes dans des tissus de souris recombinantes consanguines, nous avons montré que certains polymorphismes peuvent affecter l’expression de plusieurs gènes au sein de domaines géniques de co-expression. En combinant des études de détection de eQTLs avec des techniques d’analyse de réseaux de co-expression de gènes dans des souches de souris recombinantes consanguines, nous avons montré qu’un locus génétique pouvait être lié à la fois à l’expression de plusieurs gènes au niveau d’un domaine génique de co-expression et à un trait complexe particulier (c.-à-d. la masse du ventricule cardiaque gauche). Au total, nos études nous ont permis de détecter plusieurs mécanismes par lesquels des polymorphismes génétiques peuvent être liés à l’expression de plusieurs gènes, ces derniers pouvant eux-mêmes être liés à des traits quantitatifs complexes.

Classification et relations entre les traits fonctionnels des crustacés zooplanctoniques : de l’organisme à l’écosystème

Les écologistes reconnaissent depuis longtemps que les organismes sont soutenus par le flux, l’emmagasinage et le renouvellement d’énergie et de matériel de l’écosystème, puisqu’ils sont nécessaires au métabolisme biologique et à la construction de biomasse. L’importance des organismes dans la régularisation des processus écosystémiques est maintenant de plus en plus considérée. Situé au centre des chaînes trophiques aquatiques, le zooplancton influence les flux d’énergie et de matériel dans les écosystèmes. Plusieurs de leurs caractéristiques sont connues comme étant de bons indicateurs de leur effet sur l’environnement, notamment leur taille, contenu corporel et taux métabolique. La plupart de ces caractéristiques peuvent être appelées « traits fonctionnels ». Alors que l’emploi des traits devient de plus en plus populaire en écologie des communautés aquatiques, peu ont su utiliser cette approche afin de concrètement lier la structure des communautés zooplanctoniques aux processus écosystémiques. Dans cette étude, nous avons colligé les données provenant d’une grande variété de littérature afin de construire une base de données sur les traits du zooplancton crustacé contribuant directement ou indirectement aux flux de C, N et P dans les écosystèmes. Notre méta-analyse a permis d’assembler plus de 9000 observations sur 287 espèces et d’identifier par le fait même ce qu’il manque à nos connaissances. Nous avons examiné une série de corrélations croisées entre 16 traits, dont 35 étaient significatives, et avons exploré les relations entre les unités taxonomiques de même qu’entre les espèces marines et d’eaux douces. Notre synthèse a entre autres révélé des patrons significativement différents entre le zooplancton marin et dulcicole quant à leur taux de respiration et leur allométrie (masse vs. longueur corporelle). Nous proposons de plus une nouvelle classification de traits liant les fonctions des organismes à celles de l’écosystème. Notre but est d’offrir une base de données sur les traits du zooplancton, des outils afin de mieux lier les organismes aux processus écosystémiques et de stimuler la recherche de patrons généraux et de compromis entre les traits.

TRY: a global database of plant traits

Plant traits – the morphological, anatomical, physiological, biochemical and phenological characteristics of plants and their organs – determine how primary producers respond to environmental factors, affect other trophic levels, influence ecosystem processes and services and provide a link from species richness to ecosystem functional diversity. Trait data thus represent the raw material for a wide range of research from evolutionary biology, community and functional ecology to biogeography. Here we present the global database initiative named TRY, which has united a wide range of the plant trait research community worldwide and gained an unprecedented buy-in of trait data: so far 93 trait databases have been contributed. The data repository currently contains almost three million trait entries for 69 000 out of the world's 300 000 plant species, with a focus on 52 groups of traits characterizing the vegetative and regeneration stages of the plant life cycle, including growth, dispersal, establishment and persistence. A first data analysis shows that most plant traits are approximately log-normally distributed, with widely differing ranges of variation across traits. Most trait variation is between species (interspecific), but significant intraspecific variation is also documented, up to 40% of the overall variation. Plant functional types (PFTs), as commonly used in vegetation models, capture a substantial fraction of the observed variation – but for several traits most variation occurs within PFTs, up to 75% of the overall variation. In the context of vegetation models these traits would better be represented by state variables rather than fixed parameter values. The improved availability of plant trait data in the unified global database is expected to support a paradigm shift from species to trait-based ecology, offer new opportunities for synthetic plant trait research and enable a more realistic and empirically grounded representation of terrestrial vegetation in Earth system models.

Dietary factors impact on the association between CTSS variants and obesity related traits

BACKGROUND/AIMS: Cathepsin S, a protein coded by the CTSS gene, is implicated in adipose tissue biology--this protein enhances adipose tissue development. Our hypothesis is that common variants in CTSS play a role in body weight regulation and in the development of obesity and that these effects are influenced by dietary factors--increased by high protein, glycemic index and energy diets. METHODS: Four tag SNPs (rs7511673, rs11576175, rs10888390 and rs1136774) were selected to capture all common variation in the CTSS region. Association between these four SNPs and several adiposity measurements (BMI, waist circumference, waist for given BMI and being a weight gainer-experiencing the greatest degree of unexplained annual weight gain during follow-up or not) given, where applicable, both as baseline values and gain during the study period (6-8 years) were tested in 11,091 European individuals (linear or logistic regression models). We also examined the interaction between the CTSS variants and dietary factors--energy density, protein content (in grams or in % of total energy intake) and glycemic index--on these four adiposity phenotypes. RESULTS: We found several associations between CTSS polymorphisms and anthropometric traits including baseline BMI (rs11576175 (SNP N°2), p = 0.02, β = -0.2446), and waist change over time (rs7511673 (SNP N°1), p = 0.01, β = -0.0433 and rs10888390 (SNP N°3), p = 0.04, β = -0.0342). In interaction with the percentage of proteins contained in the diet, rs11576175 (SNP N°2) was also associated with the risk of being a weight gainer (p(interaction) = 0.01, OR = 1.0526)--the risk of being a weight gainer increased with the percentage of proteins contained in the diet. CONCLUSION: CTSS variants seem to be nominally associated to obesity related traits and this association may be modified by dietary protein intake.

Effects of planting density and nitrogen application on seed yield and other morphological traits of the leafy vegetable kale (Brassica oleracea).

The relationship between food security and sustainable land use is considered to be of the uttermost importance to increase yields without having to increase the agricultural land area over which crops are grown. In the present study nitrogen concentration (25 and 85 kg ha-1) and planting density (6.7, 10 and 25 plants m-2) were investigated for their effect on whole plant physiology and pod seed yield in kale (Brassica oleracea), to determine if the fruit (pod) yield could be manipulated agronomically. Nitrogen concentration did not significantly affect seed yield and it is therefore recommended that the lower concentration be used commercially. Conversely planting density did have a significant effect with increases in seed yield observed at the highest planting density of 25 plants m-2, therefore this high planting density would be recommended commercially to maximise area efficiency, highlighting that simple agronomic changes are capable of increasing crop yields over a set area.