Phenotypic plasticity in Mývatn threespine stickleback (Gasterosteus aculeatus): response to temperature and diet within and across generations

Abstract

Phenotypic plasticity, the ability of a single genotype to produce different phenotypes in response to environmental stimuli, can mitigate effects of adverse environmental conditions within and across generations and be an important source of adaptation in response to natural selection. The aim of this thesis was to study how environmental drivers shape the phenotype of threespine stickleback, within and across generations, in the spatio-temporally varying system, Lake Mývatn, Iceland. Firstly, my study of diet and morphology of wild juvenile Mývatn stickleback revealed a dietary niche shift from Cladocera to midge larvae with increasing body size and diverging head morphology in response to varying diet composition. Secondly, I conducted a multigenerational plasticity experiment, rearing offspring from stickleback originating from two contrasting habitats under varying temperature and diet conditions. I analysed phenotypic information of juveniles and sexually mature females and males across two generations. I further collected liver samples of sexually mature experimental and wild individuals for transcriptomic analyses, to further our understanding of the underlying molecular mechanisms. I found clear environmental effects on traits directly associated with fitness. Thus, transgenerational effects appear crucial in shaping biological fitness in this highly dynamic system. I also identified differentially expressed genes in response to temperature and diet, potentially reducing environmental stress and support habitat expansion. This thesis enhances our understanding of phenotypic plasticity and transgenerational effects in dynamic systems. Integrating multiple environmental factors over biologically relevant timeframes is rare, making my findings crucial for understanding how phenotypic plasticity contributes to biological diversity.

Sveigjanlegt svipfar, geta arfgerðar til að mynda mismunandi svipgerðir sem svar við breytilegu umhverfi, getur dregið úr áhrifum erfiðra umhverfisaðstæðna, innan og milli kynslóða, og er mikilvægt í aðlögunarsvörun vegna náttúrulegs vals. Helsta markmið verkefnisins var að rannsaka mótandi áhrif umhverfisþátta á svipgerð hornsíla, innan og milli kynslóða, í tíma og rúmi. Ég rannsakaði fæðu og fæðutengt útlit hornsílaseiða í hinu síbreytilega Mývatni. Þegar að seiðin lengdust breyttist fæða þeirra frá vatnaflóm til mýlirfa og höfuðlögun tengdist fæðunni. Ég mældi sveigjanlegt svipfar innan og milli kynslóða í tilraun þar sem að hornsíli frá tveimur svæðum voru alin við ólíkt hitastig og fæðu í tvær kynslóðir og upplýsingum um svipgerð seiða og kynþroska hænga og hrygna var safnað. Sýni til mælinga á genatjáningu voru tekin af lifur kynþroska einstaklinga úr Mývatni og afkvæma úr tilrauninni, til að skilja betur þá erfðafræðilegu ferla sem móta svipgerðarfjölbreytileikann sem sást. Umhverfið hafði greinileg áhrif á þætti sem tengja má beint við hæfni. Þættir sem berast milli kynslóða eru greinilega mikilvægir fyrir líffræðilega hæfni í þessu kvika kerfi. Nokkur gen fundust sem sýndu mismunandi tjáningu í tengslum við hitastig og fæðu. Þau geta mögulega dregið úr streituáhrifum tengdum umhverfi og gert einstaklingum kleift að nema ný búsvæði. Niðurstöðurnar auka skilning á mikilvægi sveigjanlegs svipfars, innan og milli kynslóða, fyrir einstaklinga í kviku vistkerfi. Rannsóknir þar sem skoðaðir eru margir umhverfisþættir á líffræðilega mikilvægum tímaskala eru fáar. Því eru niðurstöður mínar sérlega mikilvægar fyrir skilning á hvernig sveigjanlegt svipfar hefur áhrif á líffræðilega fjölbreytni.