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A Genomewide Assessment of Inbreeding Depression: Gene Number, Function, and Mode of Action

Authors

  • JULIEN F. AYROLES,

    Corresponding author
    1. School of Integrative Biology, 515 Morrill Hall, 505 S. Goodwin Avenue, University of Illinois, Urbana, IL 61801, U.S.A.
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  • KIMBERLY A. HUGHES,

    1. Program in Ecology and Evolutionary Biology, University of Illinois, Urbana, IL 61801, U.S.A.
    2. School of Integrative Biology & Institute for Genomic Biology, 1206 W. Gregory Drive, Urbana, IL 61801, U.S.A.
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  • KEVIN C. ROWE,

    Corresponding author
    1. School of Integrative Biology, 515 Morrill Hall, 505 S. Goodwin Avenue, University of Illinois, Urbana, IL 61801, U.S.A.
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  • MELISSA M. REEDY,

    1. School of Integrative Biology & Institute for Genomic Biology, 1206 W. Gregory Drive, Urbana, IL 61801, U.S.A.
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  • SANDRA L. RODRIGUEZ-ZAS,

    1. Department of Animal Sciences & Institute for Genomic Biology, University of Illinois, 1207 W. Gregory Drive, Urbana, IL 61801, U.S.A.
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  • JENNY M. DRNEVICH,

    1. Roy J. Carver Biotechnology Center, Keck Center for Functional Genomics, University of Illinois, Urbana, IL 61801, U.S.A.
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  • CARLA E. CÁCERES,

    1. School of Integrative Biology, 515 Morrill Hall, 505 S. Goodwin Avenue, University of Illinois, Urbana, IL 61801, U.S.A.
    2. Program in Ecology and Evolutionary Biology, University of Illinois, Urbana, IL 61801, U.S.A.
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  • KEN N. PAIGE

    Corresponding author
    1. School of Integrative Biology, 515 Morrill Hall, 505 S. Goodwin Avenue, University of Illinois, Urbana, IL 61801, U.S.A.
    2. Program in Ecology and Evolutionary Biology, University of Illinois, Urbana, IL 61801, U.S.A.
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†† Current address: Department of Genetics, North Carolina State University, Raleigh, NC 27695, U.S.A.

‡‡ Current address: Museum of Vertebrate Zoology, University of California, Berkeley, CA 94720, U.S.A.

§§Address correspondence to K. N. Paige, email k-paige@uiuc.edu

Abstract

Abstract: Although the genetic basis of inbreeding depression is still being debated, most fitness effects are thought to be the result of increased homozygosity for recessive or partially recessive deleterious alleles rather than the loss of overdominant genes. It is unknown how many loci are associated with inbreeding depression, the genes or gene pathways involved, or their mode of action. To uncover genes associated with variation in fitness following inbreeding, we generated a set of inbred lines of Drosophila melanogaster for which only the third chromosome varied among lines and measured male competitive reproductive success among these lines to estimate inbreeding depression. Male competitive reproductive success for different lines validated our prediction that equally inbred lines show variation in inbreeding depression. To begin to assess the molecular basis of inbreeding depression for male competitive reproductive success, we detected variation in whole-genome gene expression across these inbred lines with commercially available high-density oligonucleotide microarrays. A total of 567 genes were differentially expressed among these inbred lines, indicating that inbreeding directly or indirectly affects a large number of genes: genes that are disproportionately involved in metabolism, stress and defense responses. Subsequently, we generated a set of outbred lines by crossing the highest inbreeding depression lines to each other and contrasted gene expression between parental inbred lines and F1 hybrids with transcript abundance as a quantitative phenotype to determine the mode of action of the genes associated with inbreeding depression. Although our results indicated that approximately 75% of all genes involved in inbreeding depression were additive, partially additive, or dominant, about 25% of all genes expressed patterns of overdominance. These results should be viewed with caution given that they may be confounded by issues of statistical inference or associative overdominance.

Abstract

Resumen: Aunque las bases genéticas de la depresión por endogamia aun están en debate, se piensa que la mayoría de los efectos sobre la adaptabilidad son el resultado del incremento de la homocigosidad para alelos deletéreos recesivos o parcialmente recesivos y no de la pérdida de genes sobredominantes. No se conoce cuantos loci están asociados con la depresión por endogamia, los genes o rutas génicas que están involucrados ni su modo de acción. Para descubrir los genes asociados con la variación en la adaptabilidad después de la endogamia, generamos un conjunto de líneas endogámicas de Drosophila melanogaster en las que sólo varió el tercer cromosoma y medimos el éxito reproductivo competitivo de machos (ERCM) entre líneas para estimar la depresión por endogamia. El éxito reproductivo competitivo de machos para las diferentes líneas validó nuestra predicción de que líneas igualmente endogámicas muestran variación en la depresión por endogamia. Para iniciar la evaluación de las bases moleculares de la depresión por endogamia para ERCM, detectamos la variación en toda la expresión génica en las líneas endogámicas mediante microseries de oligonucleótidos de alta densidad disponibles comercialmente. Un total de 567 genes se expresaron diferencialmente en estas líneas endogámicas, lo que indica que la endogamia afecta, directa o indirectamente, un gran número de genes: genes que están desproporcionadamente involucrados en respuestas del metabolismo, estrés y defensa. Subsecuentemente, generamos un conjunto de líneas exogámicas mediante cruzas de las líneas con mayor depresión por endogamia y contrastamos la expresión de genes entre líneas endogámicas parentales y los híbridos F1 utilizando la abundancia de transcripciones como un fenotipo cuantitativo para determinar el modo de acción de los genes asociados con la depresión por endogamia. Aunque nuestros resultados indicaron que aproximadamente 75% de todos los genes involucrados en la depresión endogámica fueron aditivos, parcialmente aditivos o dominantes, cerca de 25% de los genes expresaron patrones de sobredominancia. Estos resultados deben verse con precaución dado que se pueden confundir con temas de inferencia estadística o sobredominancia asociativa.

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