Ansökan: Evolution av genetisk rekombination hos sociala insekter

Tidsperiod:

1 januari 2015 – 31 december 2018

Projektledare:

Matthew Webster

Projektdeltagare:

Joachim de Miranda, Ingemar Fries

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 000 000 SEK

Varför har vi sex? Den evolutionära fördelen med sexuell reproduktion utgör en av de mest förbryllande frågorna inom biologin. Varför para sig och blanda gener när det skulle vara mycket effektivare att föröka sig asexuellt? Processen som blandar kombinationer av genetiska varianter (alleler) från en generation till nästa kallas rekombination. Rekombination förekommer hos djur, växter, svampar och mikroorganismer och är en viktig källa för genetisk mångfald.

Sociala insekter som bin och myror bor i samhällen med specialiserade kast: drottningen är den enda reproduktiva honan, drönarna är hannar som parar sig med drottningar och arbetarna är sterila honor som sköter om boet och samlar föda. Frekvensen av genetisk rekombination hos sociala insekter är den hittills högsta kända bland alla djur, mer än 20 gånger högre än hos människor. Vi vet inte varför den är så hög, men eftersom alla individer i ett samhälle kommer från samma moder behövs troligen mekanismer för att öka mångfalden i samhället. En hypotes för varför det är viktigt heter "Red Queen"-hypotesen, vilken gå ut på att rekombination ökar mångfalden av genetiska varianter för att göra hela samhället mer resistent emot parasiter. En annan hypotes är att mer rekombination skapar större variation bland arbetarna som då tillsammans kan utföra de olika uppgifterna i samhället mer effektivt. Vi tänker använda honungsbiet och flera närbesläktade arter för att studera de faktorer som orsakar den extra höga rekombinationsfrekvensen hos sociala insekter och i förlängningen bättre förstå varför rekombination är viktig för så många organismer.

Framstegen inom modern sekvenseringsteknik gör det möjligt att sekvensera hela arvsmassan hos många individer samtidigt. Vi vill använda denna teknik för att undersöka hur ofta olika delar av kromosomen är inblandade i rekombination och utbyter genetiskt material. Vi kommer att utnyttja det faktum att de hanliga drönarna är haploida hos bin, vilket innebär att de bara har en kopia av varje kromosom. Det gör det möjligt att sekvensera hundratals drönare som produceras av en enda bidrottning och exakt kartlägga var på kromosomerna som rekombination har inträffat. Det ger oss en karta som vi kan använda för att hitta de gener och andra delar av arvsmassan som har extra hög rekombination. Vi kan då relatera denna information till genfunktion och testa olika hypoteser om rekombinationens betydelse.

En rekombinationskarta gör det även möjligt att identifiera så kallade "recombination hotspots" på kromosomer, små områden där rekombination sker hundratals gånger mer frekvent än genomsnittligt. Genom att analysera placeringen av dessa hotspots och DNA-sekvensen de innehåller så kan man hitta likheter som visar hur rekombinationen kontrolleras och regleras och vilka gener som är inblandade. Sådana gener har visats vara viktiga för fertilitet och artbildning hos däggdjur, men inga är ännu kända hos evertebrater. Vi tänker också bygga rekombinationskartor från flera arter av bin som representerar olika grader av socialitet: från solitära till fullt sociala. Det kan vi göra genom att sekvensera hela arvsmassan från en mängd individer i en population och bioinformatiskt analysera hur genetiska varianter är kopplade till varandra. Vi kan därefter undersöka i vilka delar av arvsmassan som rekombinationen tilltagit under evolutionen av socialitet. Vi kan t.ex. undersöka om gener som är inblandade i försvar emot parasiter har ökad rekombination, vilket Red Queen-hypotesen påstår.

Vi kommer även att testa hur rekombination påverkas av parasiter genom att mäta förekomsten av rekombination i honungsbisamhällen som har selekterats för resistens mot parasiter jämfört med oselekterade samhällen. Detta gör vi genom att jämföra ett urval av genetiska markörer spridda över genomet hos en stor mängd haploida avkomma från drottningar från endera grupp och undersöka om parasitförekomst ökar rekombinationen. Resultatet skulle hjälpa oss förstå betydelsen av re