Collaborative research: Understanding the role of developmental bias in the morphological diversification of bat molars

合作研究:了解发育偏差在蝙蝠臼齿形态多样化中的作用

基本信息

  • 批准号:
    2017803
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 59.66万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-08-01 至 2023-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The evolution of animal form has been uneven, radiating in fits and starts, and exploring some forms but not others. Why this pattern exists has long been a fundamental question in biology. One possible explanation can be found in the very nature of the way that animals grow from an egg into an adult, i.e., in their development. The genes that control animal development interact in networks. Some genes in these networks interact with many other genes, while others are more peripheral and isolated. This project tests the hypothesis that most evolution in animal form occurs through changes in peripheral network components, and in the aspects of form that those peripheral components make, while central genes and their associated forms are conserved among species. To test this hypothesis, this project investigates the patterns and drivers of tooth evolution in an ecologically diverse animal group, noctilionoid bats. This project is expected to be among the first to characterize the organization of the gene networks that control animal form, and the impact that this organization has on the way evolution proceeds. This project is therefore expected to illuminate mechanisms that have shaped the evolution of animals over the history of life on earth. This project will also directly increase participation of students from underrepresented groups (URMs) in research and contribute to public education. These goals will be achieved by involving URM undergraduates from Puerto Rico in project research, training postdoctoral scientists in URM mentorship, and showcasing project results at the Burke Museum.This project’s goal is to characterize and model the evolution of developmental GRN modules and resulting morphologies, using the radiation of noctilionoid bats and their molars as a model system. This project's central hypothesis is that a conserved core module of the molar GRN controls the initial formation of molar traits that are conserved across species, with evolutionary modification of network sub-modules leading to interspecific morphological variation. To test this, two aims will be completed. In Aim 1, the team will quantify morphology of developing lower first molars (m1) in representative noctilionoids, and adult m1s across all extant noctilionoid genera. Data will be used to reconstruct the development and evolution of noctilionoid m1 morphology, and identify conserved and variable traits over developmental and evolutionary time. In Aim 2, the team will map gene expression over m1 development in representative noctilionoids, functionally test the ability of observed expression differences in key molar developmental pathways to generate variable m1 morphologies, reconstruct GRN modules for bat m1s in computational space, and link GRN modules to m1 morphological diversity. Using data from both aims, the team will also use machine-learning techniques to reverse-engineer a computational model that will predict m1 phenotypes resulting from variation in developmental modules. Through this research, this project will characterize the role of developmental biases in morphological evolution within an adaptive radiation, functionally link shifts in gene expression to the evolution of morphology among closely related species, and generate a predictive model for morphological evolution across a hyper-diverse mammal groupThis award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
动物形态的进化是不平衡的,断断续续地辐射,探索某些形态,而不是其他形态。为什么这种模式存在一直是生物学中的一个基本问题。一个可能的解释可以在动物从卵到成年的方式的本质中找到,即,在他们的发展。控制动物发育的基因在网络中相互作用。这些网络中的一些基因与许多其他基因相互作用,而其他基因则更加外围和孤立。该项目测试的假设是,大多数动物形态的进化是通过外围网络组件的变化发生的,以及这些外围组件所形成的形态方面,而中心基因及其相关形式在物种之间是保守的。为了验证这一假设,该项目调查了一种生态多样性动物群体--蝙蝠的牙齿进化模式和驱动力。该项目预计将成为第一个描述控制动物形态的基因网络的组织,以及这种组织对进化方式的影响的项目之一。因此,该项目有望阐明在地球生命史上塑造动物进化的机制。该项目还将直接增加来自代表性不足群体的学生参与研究,并为公共教育做出贡献。这些目标将通过让来自波多黎各的URM本科生参与项目研究、在URM导师制中培训博士后科学家以及在伯克博物馆展示项目成果来实现。该项目的目标是利用蝙蝠及其磨牙的辐射作为模型系统,表征和模拟发育GRN模块的演变及其形态。该项目的中心假设是,一个保守的核心模块的磨牙GRN控制的磨牙性状是保守的跨物种的初始形成,与进化修饰的网络子模块导致种间形态变异。为了验证这一点,将完成两个目标。在目标1中,研究小组将量化代表性牙列石中发育中的下第一磨牙(m1)的形态,以及所有现存牙列石属中的成年m1。数据将被用来重建的发展和进化的m1形态,并确定保守和可变的性状在发展和进化的时间。在目标2中,研究小组将绘制代表性臼齿m1发育的基因表达图,功能性测试在关键臼齿发育途径中观察到的表达差异产生可变m1形态的能力,在计算空间中重建蝙蝠m1的GRN模块,并将GRN模块与m1形态多样性联系起来。利用来自这两个目标的数据,该团队还将使用机器学习技术来反向工程一个计算模型,该模型将预测由发育模块变化引起的m1表型。通过这项研究,该项目将描述适应性辐射中发育偏差在形态进化中的作用,在功能上将基因表达的变化与密切相关的物种之间的形态进化联系起来,并生成一个预测模型,多元化哺乳动物群体该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会知识分子的评估被认为值得支持优点和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Universal DNA methylation age across mammalian tissues.
  • DOI:
    10.1038/s43587-023-00462-6
  • 发表时间:
    2023-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    Lu, Viviana Perez Ake;Fei, Zhe;Raj, Ken;Horvath, Steve
  • 通讯作者:
    Horvath, Steve
Bat Dentitions: A Model System for Studies at the Interface of Development, Biomechanics, and Evolution
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  • DOI:
    10.1093/icb/icac042
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Santana, Sharlene E.;Grossnickle, David M.;Sadier, Alexa;Patterson, Edward;Sears, Karen E.
  • 通讯作者:
    Sears, Karen E.
Grand Challenges in Comparative Tooth Biology
比较牙齿生物学的巨大挑战
  • DOI:
    10.1093/icb/icaa038
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Hulsey, C Darrin;Cohen, Karly E;Johanson, Zerina;Karagic, Nidal;Meyer, Axel;Miller, Craig T;Sadier, Alexa;Summers, Adam P;Fraser, Gareth J
  • 通讯作者:
    Fraser, Gareth J
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