Study of morphogenesis and miRNA expression associated with craniofacial diversity in Arctic charr (Salvelinus alpinus) morphs

Trophic diversification of Arctic charr (Salvelinus alpinus, Linn. 1758) into four genetically distinct morphs, varying in life history characteristics, behavior, and trophic morphology, has occurred in lake Thingvallavatn following the last glaciation. The aim of this study was to investigate the genetic and developmental aspects of this diversification thereby gaining insights into the evolution and the maintenance of the Thingvallavatn morphs. In chapter I a population genetic screen of immunological candidate genes revealed differences among morphs for Cath2 and MHCII alpha that far exceeded differentiation at neutral loci. This is consistent with a scenario were selection has led to divergence in parts of the immune system. In chapter II embryonic and early post-hatching craniofacial cartilage development is described. The ontogenetic trajectories of shape and size indicated developmental heterochrony as a possible mechanism of morph divergence. Chapter III describes subtle but significant differences in early post-hatching craniofacial morphology between the progeny of three morphs of Arctic charr. Moreover hybrid progeny of two contrasting morphs showed extreme (or transgressive) phenotypes well outside of the parental range, indicating that the ecological divergence within the lake might be enhanced by lowered fitness of hybrids. In chapter IV the level of integration and modularity in craniofacial traits in morphs and hybrids is analysed. Chapter V describes the annotation of Arctic charr miRNAs expressed during development and analyses of candidate miRNAs involved in Arctic charr morphogenesis and diversification. Útdráttur Frá lokum síðustu ísaldar hafa þróast fjögur afbrigði bleikju (Salvelinus alpinus, Linn. 1758) innan Þingvallavatns. Afbrigðin eru erfðafræðilega aðgreind og eru ólík hvað snertir lífsferla, atferli og útlit, og á það sérstaklega við um líkamshluta er tengjast fæðuöflun. Markmið þessarar rannsóknar var að kanna erfðafræðilegar og þroskunarfræðilegar orsakir þessa fjölbreytileika og öðlast þannig innsýn í þróun og varðveislu bleikjuafbrigðanna í Þingvallavatni. Stofnerfðafræðilegri leit að genum tengdum ónæmiskerfinu sem sýna mismun milli afbrigða er lýst í fyrsta kafla ritgerðarinnar. Þar á meðal eru Cath2 og MHCII alpha sem sýna breytileika sem getur ekki talist hlutlaus og líklegast er að áhrif náttúrulegs vals á ónæmiskerfið hafi leitt til aðgreiningar á þessum erfðasetum. Annar kafli lýsir þroskun brjósks og beina í höfði fóstra og seiða stuttu eftir klak. Sá munur sem fram kemur milli afbrigða í þroskunarfræðilegum brautum útlits og stærðar þessara stoðeininga bendir til þess að orsakanna sé að leita í breytingum á tímasetningu þroskunaratburða. Í þriðja kafla segir frá litlum en marktækum mun í útliti höfuðbeina á fyrstu stigum eftir klak seiða þriggja afbrigða bleikju. Auk þess sýna blendingar tveggja ólíkra afbrigða svipgerð sem fellur að verulegu leyti fyrir utan útlitsmengi beggja foreldra-afbrigðanna. Það bendir til þess að aðskilnað afbrigðanna í vatninu megi rekja til minni hæfni blendinga. Fjórði kafli fjallar um þroskunarfræðileg tengsl valinna stoðeininga í höfði, þ. e. hversu sjálfstæðar eða samþættar þær eru, og hvernig þeim er háttað hjá kynblendingum ólíkra afbrigða Í fimmta kafla er miRNA sameindum bleikjunnar og tjáningu þeirrra í þroskun lýst í mismunandi afbrigðum. Sérstaklega athygli fengu miRNA-gen sem sýndu mismunandi tjáningarmynstur á afbrigðunum en slík gen kunna að leika mikilvægt hlutverk í formþroskun höfuðbeina og þannig verið undirstaða útlitsmunar milli afbrigða. To my family, Недка, Христо, Петя, Матчо и Фредрикчо List of papers This thesis is based on five papers, of which one has been published, one has been accepted for publication and three are manuscripts. In the text the papers are referred to with their respective numbers as follows:  Paper I: Kalina H. Kapralova, Johannes Gudbrandsson, Sigrun Reynisdottir, Cristina B. Santos,Vanessa C. Baltana ́ s, Valerie H. Maier, Sigurdur S. Snorrason, Arnar Palsson (2013). Differentiation at the MHCIIα and Cath2 Loci in sympatric Salvelinus Alpinus Resource Morphs in Lake Thingvallavatn. PLoS One 8: e69402  Paper II: Kalina H. Kapralova, Zophonías O. Jónsson, Arnar Palsson, Sigrídur Rut Franzdóttir, Bjarni K. Kristjanson, Sigurður S. Snorrason. Bones in motion: ontogeny of craniofacial development in sympatric Arctic charr morphs (Manuscript)  Paper III: Kalina H. Kapralova, Arnar Palsson, Bjarni K. Kristjanson, Zophonías O. Jónsson, Sigurður S. Snorrason. Evidence for reproductive isolation by phenotypic transgression in hybrids of Arctic charr (Manuscript).  Paper IV: Kalina H. Kapralova, Arnar Palsson, Bjarni K. Kristjanson, Zophonías O. Jónsson, Sigurður S. Snorrason. Modularity and integration in craniofacial elements during development of sympatric Arctic charr morphs (Manuscript).  Paper V: Kalina H. Kapralova, Sigrídur Rut Franzdóttir, Hákon Jónsson, Sigurður S. Snorrason, Zophonías O. Jónsson (2014). Patterns of miRNA expression in Arctic charr development (accepted for publication in PLoS One) Other peer-reviewed papers not included in this thesis  Ehsan Pashay Ahi, Kalina Hristova Kapralova, Arnar Pálsson, Valerie Helene Maier, Jóhannes Gudbrandsson, Sigurdur S. Snorrason, Zophonías O. Jónsson, Sigrídur Rut Franzdóttir. Transcriptional dynamics of a conserved gene expression network associated with benthic-limnetic craniofacial divergence in Arctic charr (Submitted to Evo-devo).  Ehsan Pashay Ahi, Jóhannes Guðbrandsson, Kalina H. Kapralova, Sigríður R. Franzdóttir, Sigurður S. Snorrason, Valerie H. Maier, Zophonías O. Jónsson (2013). Validation of Reference Genes for Expression Studies during Craniofacial Development in Arctic Charr. PLoS ONE 8(6): e66389