title: The Role of Standing Genetic Variation in Rapid Adaptation - Insights from Ancient and Large-scale Contemporary Threespine Stickleback Genomes
Creators: name: Kirch, Melanie
Publisher: name: Universität Tübingen
Year: 2025
Subjects: subject: Evolutionsbiologie , Anpassung , Genomik , Evolution , Biodiversität , Alte DNA , DNS , Frequency-Gen , Genotypisierung
subject: 004
subject: 500
subject: 570
subject: schnelle Anpassung
subject: Hidden Markov Model
subject: dreistachliger Stichling
subject: Paläogenomik
subject: threespine stickleback
subject: adaptive radiation
subject: Bayesian probability
subject: evolutionary time-series data
subject: genomic tools
subject: paleogenomics
subject: rapid adaptation
subject: soft and hard sweeps
subject: standing genetic variation
subject: targeted enrichment sequencing

description: The climate crisis will cause tremendous environmental change in the upcoming decades and will challenge many organisms to adapt rapidly to a new or changing environment. A major objective in evolutionary biology is to understand the factors promoting and/or restraining rapid adaptation in order to disentangle how we can maintain biodiversity on our planet. Two molecular key mechanisms of rapid adaptation include adaptation via newly arising mutations and via the reuse of pre-existing standing genetic variation (SGV), with the latter mechanism predicted to outperform de novo mutations in most cases. Despite its major role in rapid adaptation, little is known about the availability and maintenance of SGV in natural populations. This thesis aims to fill this gap of knowledge by taking advantage of a prime model system in evolutionary biology, the threespine sticklebacks (Gasterosteus aculeatus). Since the end of the Pleistocene, sticklebacks have undergone a recent adaptive radiation with marine sticklebacks repeatedly and independently colonising freshwater habitats and rapidly adapting to the new environment. This system has been well-studied in the past and hence, the genomic basis of parallel adaptation has been identified, large sample sizes are accessible and many genetic as well as genomic tools such as a high-quality reference genome are available turning this organism into a unique platform to investigate SGV and its role in rapid adaptation. In this thesis, I investigate the availability of SGV, how SGV can facilitate and/or constrain rapid adaptation and how SGV can be maintained in a population based on ancient as well as large-scale contemporary samples. This thesis comprises two published and one unsubmitted manuscript encompassing different genomic approaches: a paleogenomics approach studying an ancient genome extracted from 11 000 to 13 000 years old stickleback bones; contemporary evolutionary time-series data of stickleback adaptation to multiple freshwater environments; individual based genotyping data as well as targeted enrichment sequencing data for thousands of marine sticklebacks in order to characterise SGV in contemporary marine populations. The paleogenomics approach uncovers the presence of freshwater-adaptive SGV in an ancient marine stickleback genome indicating adaptive SGV is similarly found in both ancient and present-day marine populations. Contemporary marine populations are therefore likely to be good representatives for ancient founders of present-day freshwater population. In addition, some freshwater adaptive alleles present in the ancient genome are lacking in the present-day lake population from which the ancient marine fish was sampled indicating that demographic processes resulted in stochastic loss of beneficial variants over time. Contemporary time-series data revealed that freshwater adaptive variants in three newly founded Alaskan lake populations rose to high allele frequencies within a time span of less than 30 generations confirming that marine sticklebacks can rapidly adapt to freshwater environments. Genotyping data for &gt;750 marine individuals from the marine source population at &gt;350 SNPs showed further that freshwater adaptive alleles are present at low frequencies in the marine source populations and highlighted that data encompassing samples an order of magnitude larger are required to estimate properties of SGV such as the linkage disequilibrium among adaptive alleles reliably. To overcome this obstacle, pull-down sequencing at individual resolution was performed for more than 9 000 marine sticklebacks enriching the data for loci previously identified to be divergent between freshwater and marine sticklebacks. The frequency of freshwater adaptive variants determined in two marine stickleback populations form Alaska and Washington is low and frequency distributions differ significantly among the two populations. Marine sticklebacks do not correspond to simulated F1 hybrids of freshwater and marine sticklebacks, but rather to multigenerational backcrossed F1s with marine individuals. The large-scale empirical data shows that each marine individual carriers multiple freshwater adaptive alleles and that inter-chromosomal linkage disequilibrium is slightly elevated compared to random expectations indicating that the availability of SGV in the marine population has the potential to facilitate future rapid re-assembly of adaptive alleles in the freshwater environment. Comparisons to genomic datasets of global freshwater sticklebacks demonstrated that freshwater adaptive haplotypes present in the marine populations studied cluster with North-American, European as well as Californian individuals supporting the hypothesis that SGV in the marine population originates from multiple diverse source populations. Furthermore, whole genome sequencing data of a freshwater population uncovered evidence of both soft and hard sweeps at different adaptive loci emphasising the crucial role of pre-existing SGV for rapid adaptive evolution in freshwater populations. By comprising both ancient and present-day genomic approaches this thesis delivers insight into how SGV can facilitate rapid adaptive evolution, how the availability and maintenance of SGV may be promoted and/or restrained by evolutionary processes and thus, into the evolutionary potential of biodiversity.
description: Die Klimakrise wird in den kommenden Jahrzehnten zu einem beispiellosen Ausmaß an Umweltveränderungen führen, wodurch viele Organismen dazu gezwungen sein werden, sich rapide an neue oder sich ändernde Lebensräume anzupassen. Um effektive Strategien zum Erhalt von Biodiversität zu entwickeln ist ein wichtiges Ziel der Evolutionsbiologie, zu verstehen, welche Faktoren zugunsten oder entgegen schneller evolutionärer Anpassung wirken. Die zwei wichtigsten molekularen Mechanismen, die schnelle Anpassung ermöglichen, sind das Auftreten neuer genetischer (de novo) Mutationen und die Wiederverwendung von bestehender genetischer Variation (standing genetic variation, SGV), wobei letzteres in den meisten Fällen effektiver sein sollte. Trotz ihrer wichtigen Rolle in schnellen Anpassungsprozessen ist bisher wenig zu Verfügbarkeit und Aufrechterhaltung von SGV in natürlichen Populationen bekannt. Diese Doktorarbeit versucht diese Wissenslücke zu füllen und nutzt dafür einen erstklassigen Modelorganismus der Evolutionsbiologie, den dreistachligen Stichling (Gasterosteus aculeatus). Seit dem Ende des Pleistozäns haben marine Stichlinge eine adaptive Radiation erlebt — sie haben wiederholt und unabhängig voneinander Süßwassergewässer besiedelt und sich dabei schnell an die neue Umgebung angepasst. Dieses Modelsystem wurde in der Vergangenheit gut untersucht und daher wurde die genomische Grundlage der parallelen Anpassung identifiziert; es ist möglich, große Probengrößen zu sammeln; und viele genetische sowie genomische Werkzeuge wie beispielsweise ein hochwertiges Referenzgenom sind verfügbar, und machen diesen Organismus zu einer einzigartigen Plattform für die Untersuchung von SGV und ihrer Rolle bei schneller Anpassung. In dieser Arbeit untersuche ich basierend auf sehr alten Proben sowie einer großen Anzahl von zeitgenössischen Proben die Verfügbarkeit von SGV, wie SGV eine schnelle Anpassung fördern und/oder einschränken kann und wie SGV in einer Population aufrechterhalten werden kann. Diese Dissertation umfasst zwei veröffentlichte und ein nicht eingereichtes Manuskript und beinhaltet verschiedene genomische Ansätze: einen paläogenomischen Ansatz, der ein sehr altes Genom untersucht, das aus 11.000 bis 13.000 Jahre alten Stichlingsknochen extrahiert wurde; Daten einer zeitgenössischen evolutionären Zeitreihe der Anpassung des Stichlings an mehrere Süßwasserumgebungen; und Genotypisierung sowie Sequenzierung gezielt angereichter Genomregionen auf Individualebene für Tausende marine Stichlingen, um SGV in heutigen marinen Stichlingspopulationen zu charakterisieren. Der paläogenomische Ansatz deckt das Vorhandensein von Süßwasser- adaptiver SGV in einem sehr alten marinen Stichlingsgenom auf, was darauf hindeutet, dass adaptive SGV sowohl in alten als auch in heutigen Meerespopulationen vorhanden war und ist. Daher können zeitgenössische Populationen wahrscheinlich als guter Ersatz für die Gründerpopulationen der heutige Süßwasserpopulationen verwendet werden. Darüber hinaus fehlen einige im alten Genom vorhandene Süßwasser-Allele in der heutigen Seepopulation, die aus demselben See stammt wie das alte Genom. Dies deutet darauf hin, dass demografische Prozesse im Laufe der Zeit zu einem stochastischen Verlust nützlicher Allele führten. Die Zeitreihendaten zeigten, dass adaptive Süßwasservarianten in drei neu gegründeten Seepopulationen Alaskas innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 30 Generationen zu hohen Allelfrequenzen anstiegen, was bestätigt, dass marine Stichlinge sich schnell an Süßwasserumgebungen anpassen können. Genotypdaten von &gt;750 marinen Individuen aus der ursprünglichen marinen Population mit &gt;350 SNPs zeigten ferner, dass Süßwasserallele in geringen Häufigkeiten in der marinen Gründerpopulation vorhanden sind, und hoben damit hervor, dass um einen Faktor 10 größere Probengrößen notwendig sind, um Eigenschaften von SGV wie etwa das Kopplungsungleichgewicht zwischen adaptiven Allelen zuverlässig ermitteln zu können. Um diese Limitierungen zu überwinden, wurde eine Pulldown-Sequenzierung für mehr als 9.000 marine Stichlinge mit individueller Auflösung durchgeführt, bei der die Daten für Genomregionen angereichert wurden, die zuvor als divergierend zwischen Süßwasser- und marinen Stichlingen identifiziert wurden. Die Häufigkeit adaptiver Süßwasserallele, die in zwei marinen Stichlingspopulationen aus Alaska und Washington bestimmt wurde, ist gering und die Häufigkeitsverteilungen unterscheiden sich signifikant zwischen den beiden Populationen. Marine Stichlinge entsprechen nicht simulierten F1 Hybriden von Süßwasser- und marinen Individuen, sondern mehrfach mit marinen Individuen rückgekreuzten F1s. Die auf tausenden Individuen basierenden empirischen Daten zeigen, dass jedes marine Individuum mehrere adaptive Süßwasserallele trägt und dass das interchromosomale Kopplungsungleichgewicht im Vergleich zu zufälligen Erwartungen leicht erhöht ist. Die Verfügbarkeit von SGV in der marinen Population hat dadurch das Potenzial, eine zukünftige schnelle Wiederzusammensetzung des kompletten Ensembles an adaptiven Allelen in der Süßwasserumgebung zu erleichtern. Vergleiche mit genomischen Datensätzen globaler Süßwasser-Stichlinge zeigten, dass adaptive Süßwasser-Haplotypen, die in den untersuchten marinen Populationen vorkommen, in eine Gruppe mit nordamerikanischen, europäischen sowie kalifornischen Individuen fallen. Dies stützt die Hypothese, dass SGV in der marinen Population aus mehreren unterschiedlichen Quellpopulationen stammt. Darüber hinaus deckten Sequenzierdaten des gesamten Genoms einer Süßwasserpopulation Hinweise auf sowohl weiche als auch harte Sweeps an verschiedenen adaptiven Genomregionen auf, was die entscheidende Rolle von bereits existierender SGV für die schnelle adaptive Evolution in Süßwasserpopulationen betont. Diese Dissertation umfasst die Analyse sehr alter sowie zeitgenössischer Genome und liefert somit einen Einblick, wie SGV schnelle adaptive Evolution erleichtern kann, wie die Verfügbarkeit und Aufrechterhaltung von SGV durch evolutionäre Prozesse gefördert und/oder gehemmt werden kann und damit auch in das evolutionäre Potenzial von Biodiversität.