Universität zu Köln

Wieters, Benedict ORCID: 0000-0001-6476-1587 (2021). Polygenic architecture of growth rate in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Understanding the molecular mechanisms that have enabled phenotypic diversification in response to natural selection is one of the greatest challenges in modern biology. Complex traits with a polygenic basis such as growth rate are important for plant performance under natural conditions. However, determining the molecular basis of adaptation in these traits is challenging due to the small effect sizes expected and the population structure between genotypes. My work aimed to characterize the genetic basis of complex phenotypes with a polygenic basis in the model species Arabidopsis thaliana. First, I examined signatures of local growth adaptation in geographically distant populations. Therefore, I measured rosette growth in artificial mimicking latitudinal differences as well as in natural field conditions imposing different levels of competition, for a set of genotypes representative of four major regional populations, including the long separated population of China. Rosette size at the end of the growth phase proved to be the most strongly heritable component of growth rate. All genotypes significantly increased their rosette diameter when light levels were reduced, indicating that environmental plasticity is a predominant source of variation for adjusting plant size to prevailing light conditions. Phenotypic divergence between regional populations indicate that growth rate evolution is generally constrained by stabilizing selection. To understand the genetic basis underlying differences in growth rate, I conducted genomewide association studies (GWAS). Few loci associated with genetic variation for growth above the Bonferroni confidence level. However, marginally associated variants were significantly enriched among genes with annotated roles in growth and stress responses. Polygenic scores calculated from marginally associated variants confirmed the polygenic basis of growth variation. A meta-analysis of GWAS signals across environmental conditions confirmed the relevance of sub-significant associations. By associating loss-of-function alleles with growth dynamics, I identified and validated that genes related to chloroplast maturation modulate growth under limiting light conditions. To overcome limitations imposed by functional classification in Gene Ontology (GO), I sought to identify genes specifically associated with growth modifications in response to light or competition, by quantifying differences in gene expression between wild-type plants and mutants in key light signaling genes. The group of genes I identified using this approach showed overlapped significantly with genes whose variants associate with growth variation in the natural population. Since associations in GWAS can be confounded by population structure, I characterized the genetics of gene expression divergence between regions by quantifying allele-specific expression (ASE) differences within inter-regional F1 hybrids. To do this, I generated interpopulation hybrids between genotypes from 4 different regions (Morocco, Sweden, Spain, China). Comparison with differential parental gene expression (trans) showed a significant correlation between cis and trans, indicating that these genetic variants contribute significantly to expression divergence. We used quantitative models to determine the phylogeographic origin of these regulatory variants and document marked inter-regional differences in their functional distribution. Overall, this work illustrates that the genetic basis of growth adaptation is complex and polygenic. By combining information from a reductionist approach (using mutants), a quantitative genetic approach (using GWAS), and a transcriptomic approach (identifying patterns of ASE evolution), I reveal the molecular targets of natural selection. The overlap between signatures of polygenic selection on cis-regulatory variation, the study of phenotypic variation using GWAS, and the experimental identification of regulatory changes associated with growth alterations collectively support the notion that functions related to light perception, hormones, defense/stress, and growth regulation are involved in the local adaptation of plant growth. My work highlights the complex signatures of polygenic adaptation in A. thaliana, and pioneers novel innovative approach to overcome the experimental limitations caused by complex genetic architecture, confounding effects of population structure, and detection bias of genetic variants.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Polygenische Architektur der Wachstumsrate in Arabidopsis thaliana German
Translated abstract:	Abstract Language Molekularen Mechanismen, die die phänotypische Anpassung als Reaktion auf die natürliche Selektion ermöglicht haben zu verstehen ist eine der größten Herausforderungen der modernen Biologie. Komplexe Phänotypen mit einer polygenen Basis wie die Wachstumsrate sind wichtig für das Überleben von Pflanzen unter natürlichen Bedingungen. Geringe Effekte einzelner Loci und Populationsstruktur machen die Bestimmung der molekularen Basis jedoch herausfordernd. Ziel meiner Arbeit war es, die genetische Basis komplexer Phänotypen mit polygener Basis in der Modellart Arabidopsis thaliana zu charakterisieren. Zunächst untersuchte ich lokale Anpassungen im Wachstum geographisch getrennter Populationen. Dazu habe ich das Wachstum von Rosetten unter künstlichen, sowie natürlichen Bedingungen für eine Reihe von Genotypen gemessen, die repräsentativ für vier große regionale Populationen sind, einschließlich der weit entfernten chinesischen Population. Die finale Größe erwies sich als die am stärksten erbliche Komponente der Wachstumsrate. Alle Genotypen vergrößerten ihren Durchmesser unter reduzierten Lichtverhältnissen signifikant, weswegen ein Großteil der Variation in Pflanzengröße eine Reaktion auf die bestehenden Lichtverhältnisse zu sein scheint. Begrenzte phänotypische Unterschiede zwischen regionalen Populationen deuten darauf hin, dass die Evolution der Wachstumsrate im Allgemeinen durch stabilisierende Selektion eingeschränkt wird. Um die zugrunde liegende genetische Basis zu verstehen, habe ich Genom-weite Assoziationsstudien (GWAS) durchgeführt. Nur wenige Loci assoziierten mit genetischer Variation für Wachstum oberhalb des Bonferroni-Konfidenzniveaus. Allerdings waren Gene mit annotierten Funktionen im Wachstum und Stressreaktionen signifikant unter marginal assoziierten Varianten angereichert. Daraus berechnete „polygenic scores“ bestätigten die polygene Basis der Wachstumsvariation. Eine Meta-Analyse der GWAS-Signale über Umweltbedingungen hinweg bestätigte die Relevanz der marginal assoziierten Loci. Durch die Assoziation von nicht funktionalen Allelen mit der Wachstumsdynamik konnte ermittelt werden, dass Gene, die mit der Reifung von Chloroplasten zusammenhängen, das Wachstum unter limitierenden Lichtbedingungen modulieren. Ich habe versucht Gene zu identifizieren, die spezifisch mit Anpassungen des Wachstums an Licht oder Konkurrenz assoziiert sind, um Einschränkungen, die durch funktionale Klassifikation in der „Gene Ontology“ (GO) auferlegt werden zu überwinden. Dafür habe ich die Unterschiede in der Genexpression zwischen Wildtyp-Pflanzen und Mutanten in wichtigen Lichtsignalgenen quantifiziert. Die so identifizierten Gene enthielten signifikant viele Gene, die mit Variationen im Wachstum der natürlichen Populationen assoziiert sind. Da GWAS durch die Populationsstruktur beeinträchtigt werden können, analysierte ich Gen-Expressions-Unterschiede zwischen den Regionen durch Quantifizierung der allelspezifischen Expression (ASE) in F1-Hybriden (cis). Dazu kreuzte ich Genotypen aus vier verschiedenen Regionen (Marokko, Schweden, Spanien, China). Eine signifikante Korrelation zwischen cis und der unterschiedlichen Genexpression der Eltern (trans), deutet darauf hin, dass diese genetischen Varianten signifikant zu Expressionsunterschieden beitragen. Mit quantitativen Modellen, bestimmten wir den geographischen Ursprung dieser regulatorischen Varianten und dokumentierten deutliche funktionelle Unterschiede. Insgesamt veranschaulicht diese Arbeit die komplexe und polygene genetische Basis von Wachstumsanpassungen. Die Kombination von Informationen aus einem reduktionistischen (unter Verwendung von Mutanten), einem quantitativ-genetischen (unter Verwendung von GWAS) und einem transkriptomischen Ansatz (Identifizierung von Mustern der ASEEvolution) zeigt molekulare Ziele der natürlichen Selektion auf. Aufgrund von Überschneidungen zwischen cis-regulatorischen Signaturen, phänotypischer Variation und regulatorischen Veränderungen, die mit Anpassungen im Wachstum verbunden sind, können Funktionen, die mit Lichtwahrnehmung, Pflanzenhormonen, Abwehr/Stress-Reaktion und Wachstumsregulation zusammenhängen als Regulatoren der lokalen Anpassung des Pflanzenwachstums identifiziert werden. Meine Arbeit hebt die komplexen Signaturen der polygenen Anpassung in A. thaliana hervor und ist ein innovativer Ansatz, um die experimentellen Einschränkungen die durch die komplexe genetische Architektur, störende Effekte der Populationsstruktur und den Nachweis von genetischen Varianten verursacht werden zu überwinden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wieters, Benedict bwieter1@uni-koeln.de orcid.org/0000-0001-6476-1587 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-522845
Date:	2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Growth rate; Polygenic architecture; Local adaptation; GWAS; Qst; cis-regulatory divergence; Gene expression; Arabidopsis thaliana; English
Date of oral exam:	2 June 2021
Referee:	Name Academic Title Meaux, Juliette de Prof. Dr. Bollenbach, Tobias Prof. Dr.
Funders:	ERC
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/52284