We investigated whether individual great tits, Parus major, vary consistently in their exploratory behaviour in a novel environment and measured the repeatability and heritability of this trait. Wild birds were caught in their natural habitat, tested in the laboratory in an open field test on the following morning, then released at the capture site. We measured individual consistency of exploratory behaviour for recaptured individuals (repeatability) and estimated the heritability with parent–offspring regressions and sibling analyses. Measures of exploratory behaviour of individuals at repeated captures were consistent in both sexes and study areas (repeatabilities ranged from 0.27 to 0.48). Exploration scores did not differ between the sexes, and were unrelated to age, condition at fledging or condition during measurement. Heritability estimates were 0.22–0.41 (parent–offspring regressions) and 0.37–0.40 (sibling analyses). We conclude that (1) consistent individual variation in open field behaviour exists in individuals from the wild, and (2) this behavioural variation is heritable. This is one of the first studies showing heritable variation in a behavioural trait in animals from the wild, and poses the question of how this variation is maintained under natural conditions. Copyright 2002 The Association for the Study of Animal Behaviour. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Behaviour under conditions of mild stress shows consistent patterns in all vertebrates: exploratory behaviour, boldness, aggressiveness covary in the same way. The existence of highly consistent individual variation in these behavioural strategies, also referred to as personalities or coping styles, allows us to measure the behaviour under standardized conditions on birds bred in captivity, link the standardized measurements to the behaviour under natural conditions and measure natural selection in the field. We have bred the great tit (Parus major), a classical model species for the study of behaviour under natural conditions, in captivity. Here, we report a realized heritability of 54 +/- 5% for early exploratory behaviour, based on four generations of bi-directional artificial selection. In addition to this, we measured hand-reared juveniles and their wild-caught parents in the laboratory. The heritability found in the mid-offspring-mid-parent regression was significantly different from zero. We have thus established the presence of considerable amounts of genetic variation for personality types in a wild bird.

Personalities are general properties of humans and other animals. Different personality traits are phenotypically correlated, and heritabilities of personality traits have been reported in humans and various animals. In great tits, consistent heritable differences have been found in relation to exploration, which is correlated with various other personality traits. In this paper, we investigate whether or not risk–taking behaviour is part of these avian personalities. We found that (i) risk–taking behaviour is repeatable and correlated with exploratory behaviour in wild–caught hand–reared birds, (ii) in a bi–directional selection experiment on 'fast' and 'slow' early exploratory behaviour, bird lines tend to differ in risk–taking behaviour, and (iii) within–nest variation of risk–taking behaviour is smaller than between–nest variation. To show that risk–taking behaviour has a genetic component in a natural bird population, we bred great tits in the laboratory and artificially selected 'high' and 'low' risk–taking behaviour for two generations. Here, we report a realized heritability of 19.3±3.3% (s.e.m.) for risk–taking behaviour. With these results we show in several ways that risk–taking behaviour is linked to exploratory behaviour, and we therefore have evidence for the existence of avian personalities. Moreover, we prove that there is heritable variation in more than one correlated personality trait in a natural population, which demonstrates the potential for correlated evolution.

Abstract For over 50 years, the great tit ( Parus major ) has been a model species for research in evolutionary, ecological and behavioural research; in particular, learning and cognition have been intensively studied. Here, to provide further insight into the molecular mechanisms behind these important traits, we de novo assemble a great tit reference genome and whole-genome re-sequence another 29 individuals from across Europe. We show an overrepresentation of genes related to neuronal functions, learning and cognition in regions under positive selection, as well as increased CpG methylation in these regions. In addition, great tit neuronal non-CpG methylation patterns are very similar to those observed in mammals, suggesting a universal role in neuronal epigenetic regulation which can affect learning-, memory- and experience-induced plasticity. The high-quality great tit genome assembly will play an instrumental role in furthering the integration of ecological, evolutionary, behavioural and genomic approaches in this model species.

Abstract epiGBS is an existing reduced representation bisulfite sequencing method to determine cytosine methylation and genetic polymorphisms de novo . Here, we present epiGBS2, an improved epiGBS laboratory protocol and user-friendly bioinformatics pipeline for a wide range of species with or without reference genome. epiGBS2 decreases costs and time investment and increases user-friendliness and reproducibility. The library protocol was adjusted to allow for a flexible choice of restriction enzymes and a double digest. Instead of fully methylated adapters, semi-methylated adapters are now used. The bioinformatics pipeline was improved in speed and integrated in the snakemake workflow management system, which now makes the pipeline easy to execute, modular, and parameter settings flexible. We also provide a detailed description of the laboratory protocol, an extensive manual of the bioinformatics pipeline, which is publicly accessible on github ( https://github.com/nioo-knaw/epiGBS2 ) and zenodo ( https://doi.org/10.5281/zenodo.3819996 ), and example output.

Abstract Globally increasing levels of artificial light at night (ALAN) are associated with shifts in circadian rhythms of behaviour in many wild species. However, it is still unclear whether changes in behavioural timing are underlined by parallel shifts in the molecular clock, and whether such internal shifts may differ between different tissues and physiological pathways, which could highlight circadian disruption. We tackled these questions in a comprehensive study that integrated behavioural, gene expression and metabolomic analyses. We exposed captive male great tits ( Parus major ) to three ALAN intensities or to dark nights, recorded their activity rhythms and obtained mid-day and midnight samples of brain, liver, spleen and blood. ALAN advanced wake-up time, and this shift was paralleled by an advance in the expression of the clock gene BMAL1 in all tissues, suggesting close links of brain and peripheral clock gene expression with activity rhythms. However, several metabolic and immune genes were desynchronised the shifted BMAL1 expression, suggesting circadian disruption of behaviour and physiology. This result was reinforced by untargeted metabolomic profiling, which showed that only 9.7% of the 755 analysed metabolites followed the behavioural shift. We suggest circadian as a key mediator of the health impacts of ALAN on wild animals.

Abstract Environmental change, such as increased rates of urbanization, can induce shifts in phenotypic plasticity with some individuals adapting to city life while others are displaced. A key trait that can facilitate adaptation is the degree at which animals respond to stress. This stress response has a heritable component and exhibits intra- and inter-individual variation. However, the mechanisms behind this variability and whether they might be responsible for adaptation to different environments are not known. Variation in DNA methylation can be a potential mechanism that mediates environmental effects on the stress response. We used an inter- and intra-environmental cross-foster experiment to analyze the contribution of DNA methylation to early-life phenotypic variation. We found that at hatching, urban house wren ( Troglodytes aedon ) offspring had increased methylation as compared to their rural counterparts, and observed plasticity in methylation as offspring aged, indicating developmental effects of the rearing environment on methylation. Differential methylation analyses showed that cellular respiration genes were differentially expressed at hatching and behavioral and metabolism genes were differentially expressed at fledgling. Lastly, hyper-methylation of a single gene ( CNTNAP2 ) is associated with increased glucocorticoid levels. These differential methylation patterns linked to a specific physiological phenotype suggest that DNA methylation may be a mechanism by which individuals adapt to novel environments. Characterizing genetic and environmental influences on methylation is critical for understanding the role of epigenetic mechanisms in evolutionary adaptation.

Abstract Pollutants, such as toxic metals, negatively influence organismal health and performance, even leading to population collapses. Studies in model organisms have shown that epigenetic marks, such as DNA methylation, can be modulated by various environmental factors, including pollutants, influencing gene expression and various organismal traits. Yet experimental data on the effects of pollution on DNA methylation from wild animal populations is largely lacking. We here experimentally investigated for the first time the effects of early-life exposure to environmentally relevant levels of a key pollutant, arsenic (As), on genome-wide DNA methylation in a wild bird population. We experimentally exposed nestlings of great tits ( Parus major ) to arsenic during their post-natal developmental period (3 to 14 days post-hatching) and compared their erythrocyte DNA methylation levels to those of respective controls. In contrast to predictions, we found no overall hypomethylation in the arsenic group. We found evidence for loci to be differentially methylated between the treatment groups, but for five CpG sites only. Three of the sites were located in gene bodies of zinc finger and BTB domain containing 47 ( ZBTB47 ), HIVEP zinc finger 3 ( HIVEP3 ) and insulin like growth factor 2 mRNA binding protein 1 ( IGF2BP1 ). Further studies are needed to evaluate whether epigenetic dysregulation is a commonly observed phenomena in polluted populations, and what the consequences are for organism functioning and for population dynamics.

Environmental variation can shape the gut microbiome, but broad/large-scale data on among and within-population heterogeneity in the gut microbiome and the associated environmental factors of wild populations is lacking. Furthermore, previous studies have limited taxonomical coverage, and knowledge about wild avian gut microbiomes is still scarce. We investigated large-scale environmental variation in the gut microbiome of wild adult great tits across the species' European distribution range. We collected fecal samples to represent the gut microbiome and used the 16S rRNA gene sequencing to characterize the bacterial gut microbiome. Our results show that gut microbiome diversity is higher during winter and that there are compositional differences between winter and summer gut microbiomes. During winter, individuals inhabiting mixed forest habitat show higher gut microbiome diversity, whereas there was no similar association during summer. Also, temperature was found to be a small contributor to compositional differences in the gut microbiome. We did not find significant differences in the gut microbiome among populations, nor any association between latitude, rainfall and the gut microbiome. The results suggest that there is a seasonal change in wild avian gut microbiomes, but that there are still many unknown factors that shape the gut microbiome of wild bird populations.

ABSTRACT Maternal hormones can profoundly impact offspring physiology and behaviour in sex‐dependent ways. Yet little is known about the molecular mechanisms linking these maternal effects to offspring phenotypes. DNA methylation, an epigenetic mechanism, is suggested to facilitate maternal androgens' effects. To assess whether phenotypic changes induced by maternal androgens associate with DNA methylation changes, we experimentally manipulated yolk testosterone levels in wild great tit eggs ( Parus major ) and quantified phenotypic and DNA methylation changes in the hatched offspring. While we found no effect on the handing stress response, increased yolk testosterone levels decreased the begging probability, emphasised sex differences in fledging mass, and affected methylation at 763 CpG sites, but always in a sex‐specific way. These sites are associated with genes involved in growth, oxidative stress, and reproduction, suggesting sex‐specific trade‐offs to balance the costs and benefits of exposure to high yolk testosterone levels. Future studies should assess if these effects extend beyond the nestling stage and impact fitness.