Molecular Evolution and Mutation Accumulation Lines in the Nematode Pristionchus pacificus

Abstract

The nematode Pristionchus pacificus has been established as a model system for modern evolutionary studies. Evolutionary reconstruction of the natural history of organisms requires knowledge about the development, ecology, and phylogeny of species. Mutations are the source of natural variation, hence studies of mutational processes improve the understanding of the natural history of an organism. Mutation accumulation (MA) lines experiments facilitate the study of spontaneous mutation rates over many generations and offer the possibility of inferring calibrated phylogenies for taxa that lack fossil records. In this study, we used the MA lines setup to calculate mutation rates at the level of the mitochondrial genome and microsatellite loci of the nuclear genome of P. pacificus. Mitochondrial DNA (mtDNA) evolves rapidly in populations, is usually transmitted maternally without intermolecular recombination and has therefore been intensively used for phylogeographic studies. The P. pacificus mtDNA is 15; 955 bp in length and contains all the known mitochondrial genes. In the 142nd generation of the 82 MA lines, we found an overall mutation rate of 7.6e-8 per site per generation. The unusual presence of a suppressor transfer RNA for the codon UAA has, most likely, influenced the spectrum of observable mutations, in that the lines containing such a premature STOP codon were actually able to survive until the end of the experiment. Using the mutation rate estimate in a comparison of the mitochondrial genome of nine P. pacificus isolates, we calculated the minimum time to the most recent common ancestor at 10e5–10e6 generations. Microsatellites are widely used in evolutionary biology, but still little is known about the true nature of their evolution and the factors that affect their frequency, distribution, and mutation. Around 0.59 - 3.83% of the P. pacificus genome is composed of dito hexanucleotides simple tandem repeats. In the MA lines, we analysed a set of 41 randomly chosen microsatellites, in order to evaluate the mutation rates at various loci in the nuclear genome. A total of 31 mutations yielded a mean mutation rate of 7.4e-5 per allele per generation. We observed a strong correlation between allele size and mutation rate, a tendency towards lengthening, and little evidence of multistep mutations. The mutation rates obtained for individual markers provide a powerful tool for divergence time estimates in future studies. These studies provide first insights into mutation processes that shape the genome architecture of P. pacificus and help further evolutionary studies of this organism.

Der Nematode Pristionchus pacificus wurde als Modellsystem für evolutionsbiologische Untersuchungen etabliert. Für die Rekonstruktion der naturgeschichtlichen Evolution eines Lebewesens muss man die Entwicklungsbiologie, Ökologie und Phylogenie der Art kennen. Mutationen sind die Grundlage der natürlichen Variation und deshalb verbessern Untersuchungen der Mutationsprozesse unser Verständnis der Entstehungsgeschichte eines Lebewesens. Experimente mit “mutation accumulation lines” (“Mutations-Anhäufungs-Linien”, MA-Linien) vereinfachen die Untersuchung spontaner Mutationsraten über viele Generationen und ermöglichen das Erstellen kalibrierter Phylogenien für Taxa ohne Fossilien. In dieser Arbeit verwendeten wir MA-Linien, um Mutationsraten im mitochondrialen Genom und in Mikrosatelliten im nukleären Genom von Pristionchus pacificus zu errechnen. Die mitochondriale DNS einer Population verändert sich schnell und wird normalerweise maternal ohne intermolekulare Rekombination übertragen. Sie wird deshalb häufig für phylogeographische Untersuchungen verwendet. Die mitochondriale DNS von P. pacificus ist 15955 bp lang und enthält alle bekannten mitochondrialen Gene. In den 82 MA-Linien fanden wir nach 142 Generationen eine Mutationsrate von 7,6e-8 pro Locus und Generation. Ungewöhnlich ist das Vorhandensein einer Suppressor-Transfer RNS für das Codon UAA. Dies beeinflusste höchstwahrscheinlich die Bandbreite der beobachtbaren Mutationen, insofern dass die Linien, die ein solches vorzeitiges STOP-Codon enthalten, tatsächlich bis zum Ende des Experiments überleben konnten. Wir verglichen die Mutationsraten der mitochondrialen Genome von neun P. pacificus Stämmen und errechneten, dass der zeitliche Abstand zum letzten gemeinsamen Vorfahren mindestens 10e5–10e6 Generationen beträgt. Obwohl Mikrosatelliten in der Evolutionsbiologie vielfach verwendet werden, ist dennoch sehr wenig bekannt über ihre Evolution und die Faktoren, die ihre Häufigkeit, Verteilung und Mutationseigenschaften beeinWussen. Zwischen 0,59 und 3,83% des P. pacificus Genoms besteht aus einfachen Di- bis Hexanukleotid Tandem-Wiederholungen. In den MA-Linien untersuchten wir eine Gruppe von 41 zufällig ausgewählten Mikrosatelliten, um die Mutationsraten an verschiedenen Loci im nukleären Genom errechnen zu können. Insgesamt 31 festgestellte Mutationen ergaben eine durchschnittliche Mutationsrate von 7,4e-5 pro Allel und Generation. Wir beobachteten einen deutlicher Zusammenhang zwischen Allel-Größe und Mutationsrate, eine Tendenz zur Verlängerung und wenig Hinweise auf das Vorkommen von Mehrschrittmutationen. Die Mutationsraten, die für einzelne Marker errechnet wurden, werden für die Berechnung von Divergenzzeiten in zukünftigen Untersuchungen äußerst nützlich sein. Diese Arbeit liefert erste Einblicke in Mutationsvorgänge, die die genomische Architektur von P. pacificus gestalten. Außerdem können die in dieser Arbeit errechneten Mutationsraten für verschiedene andere evolutionsbiologische Untersuchungen in diesem Tier verwendet werden.