Next Generation Population Genomics in the Guppy (Poecilia reticulata)

Abstract

Population genetic studies estimate allele frequency distributions and the change of these frequencies over time in order to infer the demographic history of natural populations. Such studies aim to explain how adaptation and speciation have occurred. Until recently, inferences in non-reference taxa have been based on very few loci due to the high cost of developing a large set of markers de-novo. Only in established model organisms with a known reference genome was it possible to study genome-wide patterns of sequence variation. However, the advent of Next Generation Sequencing (NGS) technologies has revolutionized the field of whole genome research, and facilitated the development of genome-wide genetic markers. The guppy (Poecilia reticulata) is an important model organism in ecological genetics. Adaptation of guppies to contrasting upland and lowland habitats has been extensively studied with respect to behavior, morphology and life history. Guppy populations are able to adapt rapidly to new environments, presumably due to their high level of standing natural variation. However, it was previously not possible to deduce a genome-wide picture of genetic variability and to scan for the causative genomic regions under selection. In this thesis, I will describe our efforts to move from population genetics to population genomics in the guppy. This was achieved by first using a genome-wide set of genetically mapped single nucleotide polymorphism (SNP) markers for the analysis of population history and then, for the first time, to check for regions under selection in the guppy genome. By simulating populations, I assessed the effects of sample size and marker number on the various estimates of genetic differentiation. I will show how NGS can be used to identify genes in genomic regions of interest without an available reference genome and, finally, I will describe how restriction associated DNA sequencing (RAD-seq) facilitates the development of genome wide SNP markers in the guppy.

Populationsgenetische Studien beschreiben die Verteilung von Allelfrequenzen mit dem Ziel, deren Veränderung über die Zeit abzuleiten, woraus wiederum auf den demographischen Werdegang natürlicher Populationen rückgeschlossen werden kann. Darüber hinaus versuchen sie das Phänomen der Adaptation und der Artenbildung zu erklären. Bis vor kurzem basierten Studien in Nicht-Referenzorganismen auf nur wenigen genotypisierten Loci, da die Neuentwicklung einer großen Anzahl von Markern sehr kostspielig war und darum außerhalb der Möglichkeiten der meisten Forschungsprojekte lag. Bisher waren nur in etablierten Modelorganismen mit bekanntem Referenzgenom „populationsgenomische“ Studien, die das genomweite Muster von Sequenzvariationen innerhalb und zwischen nahverwandten Populationen und Spezies untersuchen, möglich. Die Verfügbarkeit von neuen Sequenziertechnologien der nächsten Generation (NGS) hat nicht nur grosse Fortschritte in der Genomforschung ermöglicht, sondern auch die Entwicklung genomweiter Marker erleichtert. Der Guppy (Poecilia reticulata) ist ein wichtiger Modelorganismus in der ökologischen Genetik. Die Anpassung von Guppies in Hinblick auf Verhalten, Morphologie und Lebensweg in gegensätzlichen oberen und unteren Flussläufen wurde ausführlich untersucht. Guppies sind in der Lage sich schnell an eine neue Umgebung anzupassen, was vermutlich an der hohen natürlichen Variation liegt. Bisher war es unmöglich genomweite Analysen genetischer Variabilität durchzuführen oder nach Regionen im Genom, die einen Selektionsvorteil aufweisen, zu suchen. Diese Arbeit beschreibt den Übergang von Populationsgenetik zu Poplationgenomik im Guppy. Zuerst untersuchen wir die Populationsstruktur in einer Auswahl natürlicher Populationen und suchen zum ersten Mal nach Regionen mit Selektionsvorteil mittels eines genomweiten Satzes von genetisch kartierten Single Nukleotid Polymorphismus (SNP) Markern. Durch die Simulation von Populationen konnte ich abschätzen welchen Einfluss die Stichprobengröße einer Population und die Anzahl der Marker auf unterschiedliche Schätzer von genetischer Differenzierung haben. Ich demonstriere wie NGS genutzt werden kann, um die Gene in Regionen von Interesse, auch ohne Referenzgenom, zu identifizieren und am Ende zeige ich wie Sequenzierung von DNA Abschnitten neben Restriktionsschnittstellen (RAD-seq) die genomweite Entwicklung von SNP Markern im Guppy ermöglicht.