Bachelor thesis - University of Veterinary Medicine Vienna - 2021

Bachelorarbeit - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2021

In natural populations of Drosophila simulans, high larval density often leads to strong competition for essential resources. It is proven that high rearing density is a stressful environment for Drosophila owing to limitation of resources, habitat degradation and spread of disease. Under high larval density, many altered phenotypes have been observed. For instance the fly becomes smaller and its development is delayed and much more. Nevertheless, the field is missing the molecular explanation behind the observed plastic responses. This study aims to fill the gap with a high-throughput transcriptomic resequencing approach and also provide a more thorough scan of phenotypic plasticity in response to high density. In this study, fly populations were reared in a Common Garden experiment at a relatively sparse (400 eggs per bottle) and at a four-fold denser environment (1600 eggs per bottle). As a next step in the workflow (Fig. 10.), the RNA of the adult fly was extracted and sequenced. Sequential analyses comprise a differential expression analysis, a weighted gene co-expression network analysis and a comparison to stress and laboratory evolved differential regulation followed by a functional enrichment for biological implications. Overall, the gene expression patterns found in this study can be associated with the previously observed phenotypic responses in metabolism, behaviors and stress resistance. Several transcriptomic responses have been asserted, possibly explaining intriguing phenomenons seen in Drosophila. Interestingly, we found that the flies in highD displayed a response to heat and cold. Additionally, a change in behaviour can be inferred from the transcriptomic responses. Moreover, major changes in the carbohydrate, lipid and amino acid metabolism were found, which were inferred to be partially detrimental for the fly. Concludingly, this bachelor thesis comprises the first steps in revealing important molecular mechanisms in response to density stress, potentially being helpful in further studies with Drosophila.

Unter natürlichen Konditionen, führt hohe larvale Populationsdichte bei Drosophila simulans zu einer starken Kompetition von überlebenswichtige Ressourcen. Es ist bewiesen, dass hohe Dichte bei der Haltung durch eine Limitation von Ressourcen, Verfall des Habitates und Aufkommen von Krankheiten zum Stress der Fliegen führt. Unter einer hohen larvalen Dichte wurden schon viele veränderte Phänotypen entdeckt. Zum Beispiel werden die Fliegen kleiner, ihre Entwicklung ist verzögert und auch noch mehr. Trotzdem fehlen die Erklärungen über die molekularen Abläufe hinter diesen beobachteten plastischen Reaktionen. Diese Studie soll diese Wissenslücke, anhand eines “high-throughput” transkriptomischen resequenzierungs Ansatzes füllen. Zusätzlich dazu könnten neue plastische Reaktionen der Fliegen entdeckt werden. In dieser Studie wurden Fliegen im Labor unter einer wenig dichten (400 Eier pro Flasche) und einer viermal dichteren Bedingung (1600 Eier pro Flasche) gehalten. Dem Arbeitsablauf folgend (Fig. 10.) wurde danach die RNA von den erwachsenen Fliegen extrahiert und sequenziert. Die darauffolgende Analyse beinhaltete eine differenzielle Expressionsanalyse, eine gewichtete Co-Expressions-Netzwerkanalyse und ein Vergleich zu unter Laborbedingung und Stress evolvierten Fliegen. Danach wurden die Expressionsprofile noch auf die veränderte biologische Funktion untersucht. Im Allgemeinen konnten die in dieser Studie gefunden Expressionsmuster mit den vorher beobachteten phänotypischen Veränderungen im Stoffwechsel, im Verhalten und in der Stressresistenz assoziiert werden. Es wurden einige Veränderungen im Transkriptom gefunden die möglicherweise faszinierende Phänomene in diesem Kontext erklären könnten. Interessanterweise, konnten wir feststellen, dass Fliegen in hoher Populationsdichte eine Reaktion auf Hitze und Kälte zeigen. Zusätzlich dazu konnte eine Änderung des Verhaltens durch die transkriptomischen Reaktionen erklärt werden. Außerdem wurden bedeutende Veränderungen im Zucker- , Fett- und Aminosäurestoffwechsel gefunden, welche sich als schädlich für die Fliegen entpuppten. Zusammenfassend enthält diese Bachelorarbeit die ersten Schritte um wichtige molekulare Mechanismen, involviert als Reaktion auf Dichtestress, zu enthüllen. Sie ist potentiell ein wichtiger Anhaltspunkt für weitere Studien mit Drosophila als Modellorganismus.

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47 Seiten