General quantitative genetic models to explore evolutionary conditions and implications of reversible and irreversible phenotypic plasticity.
Final Report Abstract
Adaptive phänotypische Plastizität, d.h. umweltinduzierte Merkmalsausprägung oder Merkmalsveränderung, die zu einer Fitnesssteigerung des Organismus führt, findet sich in allen Bereichen der Biologie – von molekularen Mechanismen bis zu Ökosystemen. Oft ist die phänotypische Merkmalsveränderung irreversibel und wird z.B. während der Entwicklung für den Rest des Lebens fixiert. Je nach vorherrschenden (oder zu erwartenden) Umweltbedingungen exprimiert derselbe Genotyp unterschiedliche Phänotypen. Viele Merkmale verändern sich aber auch mehrfach während des gesamten Lebens in adaptiver Weise und sind dann reversibel-plastisch. Merkmale sind hierbei sehr allgemein aufgefasst und können z.B. aus der Morphologie, Life-History oder Physiologie stammen, aber auch Verhaltensveränderungen können als phänotypische plastische Veränderungen interpretiert werden. Um vorherzusagen, unter welchen Bedingungen fitnessrelevante Merkmale eines Organimus nicht-plastisch, irreversibel-plastisch oder reversibel-plastisch sind, wurde basierend auf einer quantitativ-genetischen Theorie von Toleranzkurven ein komplexes Modell entwickelt und analysiert, das insbesondere für die Analyse der Merkmalsanpasssung an Stressereignisse geeignet ist. Wesentliche Modellparameter sind dabei Stressdauer, Stresshäufigkeit, Stressintensität und deren Varianz. Bei reversibler Plastizität sind ferner die benötigten Zeitdauern, um Merkmalsveränderungen durchzuführen, essentiell. Als zwei Extremfälle für die dem Organismus über die Stressintensität verfügbare Information wurden zum einen die komplette Information und zum anderen lediglich die Information, dass Stress auftritt, („incomplete information“) analysiert. Die erzielten Ergebnisse stimmen gut mit empirischen Daten überein und entsprechen im Wesentlichen den intuitiven Erwartungen, zum Beispiel dass Nicht-Plastizität nur auftreten kann, wenn die energetischen Kosten für Plastizität hoch sind. Nicht intuitiv erwartet war, dass der meist ohnehin verhandene Vorteil reversibler Plastiztität noch erhöht wird, wenn neben über verschiendene Lebensphasen verteilt multiplikativ wirkenden Fitnesskomponenten (wie Überlebenswahrscheinlichkeiten) auch additive Komponenten (wie mehrfache Eiablage) berücksichtigt werden. In den bisherigen Modellen zur reversiblen Plastizität wurde der Übergang zwischen verschiedenen Merkmalsausprägungen zwar mit einer Zeitverzögerung, aber diskontinuierlich beschrieben. Erste Ansätze mit einem zeitlich kontinuierlichem Übergang zwischen nicht induzierten und induzierten Phänotypen (bislang analytisch nur für den Fall der „incomplete information“ lösbar) sind für eine generell gültige Theorie phänotypischer Plastizität sehr vielversprechend.
Publications
- Phenotypic plasticity with instantaneous but delayed switches. Journal of Theoretical Biology 340 (2014) 60–72. Dazu „supplements“ (14 Seiten; im Internet)
Margarete Utz, Jonathan M. Jeschke, Volker Loeschcke, Wilfried Gabriel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2013.08.038) - Reversible phenotypic plasticity with continuous adaptation“ in J.Math. Biol., January 2016, Volume 72, Issue 1–2, pp 435–466
Ferdinand Pfab, Wilfried Gabriel, Margarete Utz
(See online at https://doi.org/10.1007/s00285-015-0890-3)
