Pleiotropy is the well-established phenomenon of a single gene affecting multiple traits. It has long played a central role in theoretical, experimental, and clinical research in genetics, development, molecular biology, evolution, and medicine. In recent years, genomic techniques have brought data to bear on fundamental questions about the nature and extent of pleiotropy. However, these efforts are plagued by conceptual difficulties derived from disparate meanings and interpretations of pleiotropy. Here, we describe distinct uses of the pleiotropy concept and explain the pitfalls associated with applying empirical data to them. We conclude that, for any question about the nature or extent of pleiotropy, the appropriate answer is always 'What do you mean?'.

ABSTRACT The discovery that experimental delivery of dsRNA can induce gene silencing at target genes revolutionized genetics research, by both uncovering essential biological processes and creating new tools for developmental geneticists. However, the efficacy of exogenous RNAi varies dramatically within the C. elegans population, raising questions about our understanding of RNAi in the lab relative to its activity and significance in nature. Here, we investigate why some wild-type strains fail to mount a robust RNAi response to germline targets. We observe diversity in mechanism: in some strains, the response is stochastic, either on or off among individuals, while in others the response is consistent but delayed. Increased activity of the Argonaute PPW-1, which is required for germline RNAi in the laboratory strain N2, rescues the response in some strains, but dampens it further in others. Among wild-type strains, genes known to mediate RNAi exhibited very high expression variation relative to other genes in the genome as well as allelic divergence and strain-specific instances of pseudogenization at the sequence level. Our results demonstrate functional diversification in the small RNA pathways in C. elegans , and suggest that RNAi processes are evolving rapidly and dynamically in nature.

Finding the specific nucleotides that underlie adaptive variation is a major goal in evolutionary biology, but polygenic traits pose a challenge because the complex genotype-phenotype relationship can obscure the effects of individual alleles. However, natural selection working in large wild populations can shift allele frequencies and indicate functional regions of the genome. Previously, we showed that the two most common alleles of a complex amino acid insertion-deletion polymorphism in the Drosophila insulin receptor show independent, parallel clines in frequency across the North American and Australian continents. Here, we report that the cline is stable over at least a five-year period and that the polymorphism also demonstrates temporal shifts in allele frequency concurrent with seasonal change. We tested the alleles for effects on levels of insulin signaling, fecundity, development time, body size, stress tolerance, and lifespan. We find that the alleles are associated with predictable differences in these traits, consistent with patterns of Drosophila life history variation across geography that likely reflect adaptation to the heterogeneous climatic environment. These results implicate insulin signaling as a major mediator of life history adaptation in Drosophila , and suggest that life history tradeoffs can be explained by extensive pleiotropy at a single locus.

ABSTRACT To facilitate precise and convenient control of biological sample temperature, we developed a low-cost device that can be used independently or with any stereomicroscope. The purpose of the device is to control the thermal environment during experimental intervals in which a specimen must be manipulated outside of an incubator, e.g. for dissection or slide-mounting in preparation for imaging. Sample temperatures can be both cooled to below and heated to above room temperatures, and stably maintained at a precision of +/− 0.1°C. To demonstrate the utility of this device, we report improved characterization of the penetrance of a short-acting temperature-sensitive allele in C. elegans embryos, and identification of the upper temperature threshold for embryonic viability for six Caenorhabditis species. By controlling the temperature environment even as a specimen is manipulated, this device offers consistency and flexibility, reduces environmental noise, and enables precision timing in experiments requiring temperature shifts.

ABSTRACT Selfish genetic elements can promote their transmission at the expense of individual survival, creating conflict between the element and the rest of the genome. Recently, a large number of toxin-antidote (TA) post-segregation distorters have been identified in non-obligate outcrossing nematodes. Their origin and the evolutionary forces that keep them at intermediate population frequencies are poorly understood. Here, we study a TA element in C. elegans called peel-1/zeel-1. Two major haplotypes of this locus, with and without the selfish element, segregate in C. elegans. Here we study the fitness consequences of the peel-1/zeel-1 element outside of its role in gene drive in non-outcrossing animals. We demonstrate that loss of the toxin peel-1 decreased fitness of hermaphrodites and resulted in reductions in fecundity and body size. This fitness advantage is independent of the antidote zeel-1, suggesting that a distinct peel-1 pathway plays a biological role. This work demonstrates that a TA element can provide a fitness benefit to its hosts, either during their initial evolution or by being co-opted by the animals following their selfish spread. These findings guide our understanding on how TA elements can remain in a population where gene drive is minimized, helping resolve the mystery of prevalent TA elements in selfing animals.

Pleiotropy - when a single mutation affects multiple traits - is a controversial topic with far-reaching implications. Pleiotropy plays a central role in ongoing debates about how complex traits evolve and whether biological systems tend to be modular or organized such that every gene has the potential to affect many traits. Pleiotropy is also critical to initiatives in evolutionary medicine that seek to trap infectious microbes or tumors by selecting for mutations that encourage growth in some conditions at the expense of others. Research in these fields, and others, would benefit from understanding the extent to which pleiotropy reflects inherent relationships among phenotypes that correlate no matter the perturbation (vertical pleiotropy), versus the action of genetic changes that impose correlations between otherwise independent traits (horizontal pleiotropy). We tackle this question by using high-throughput single-cell phenotyping to measure thousands of pairwise trait correlations across hundreds of thousands of cells representing hundreds of genotypes of the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae. We map pleiotropic quantitative trait loci using genotypes derived from a cross between natural strains, and we separate vertical and horizontal pleiotropy by partitioning trait correlations into within- and between-genotype correlations. We investigate how pleiotropy can change by using genotypes from mutation-accumulation lines that experienced minimal selection, and by tracking trait correlations through the cell-division cycle. We find ample evidence of both vertical and horizontal pleiotropy, and observe that trait correlations depend on both genetic background and cell-cycle position. Our results suggest a nuanced view of pleiotropy in which trait correlations are highly context dependent and biological systems occupy a middle ground between modularity and interconnectedness. These results also suggest an approach to select pairs of traits that are more likely to remain correlated across contexts for applications in evolutionary medicine.

A universal feature of living systems is that natural variation in genotype underpins variation in phenotype. Yet, research in model organisms is often constrained to a single genetic background, the reference strain. Further, genomic studies that do evaluate wild strains typically rely on the reference strain genome for read alignment, leading to the possibility of biased inferences based on incomplete or inaccurate mapping; the extent of reference bias can be difficult to quantify. As an intermediary between genome and organismal traits, gene expression is well positioned to describe natural variability across genotypes generally and in the context of environmental responses, which can represent complex adaptive phenotypes. C. elegans sits at the forefront of investigation into small-RNA gene regulatory mechanisms, or RNA interference (RNAi), and wild strains exhibit natural variation in RNAi competency following environmental triggers. Here, we examine how genetic differences among five wild strains affect the C. elegans transcriptome in general and after inducing RNAi responses to two germline target genes. Approximately 34% of genes were differentially expressed across strains; 411 genes were not expressed at all in at least one strain despite robust expression in others, including 49 genes not expressed in reference strain N2. Despite the presence of hyper-diverse hotspots throughout the C. elegans genome, reference mapping bias was of limited concern: over 92% of variably expressed genes were robust to mapping issues. Overall, the transcriptional response to RNAi was strongly strain-specific and highly specific to the target gene, and the laboratory strain N2 was not representative of the other strains. Moreover, the transcriptional response to RNAi was not correlated with RNAi phenotypic penetrance; the two germline RNAi incompetent strains exhibited substantial differential gene expression following RNAi treatment, indicating an RNAi response despite failure to reduce expression of the target gene. We conclude that gene expression, both generally and in response to RNAi, differs across C. elegans strains such that choice of strain may meaningfully influence scientific conclusions. To provide a public, easily accessible resource for querying gene expression variation in this dataset, we introduce an interactive website at https://wildworm.biosci.gatech.edu/rnai/ .

Conditionally functional mutations are an important class of natural genetic variation, yet little is known about their prevalence in natural populations or their contribution to disease risk. Here, we describe a vast reserve of cryptic genetic variation, alleles that are normally silent but which affect phenotype when the function of other genes is perturbed, in the gene networks of C. elegans embryogenesis. We find evidence that cryptic-effect loci are ubiquitous and segregate at intermediate frequencies in the wild. The cryptic alleles demonstrate low developmental pleiotropy, in that specific, rather than general, perturbations are required to reveal them. Our findings underscore the importance of genetic background in characterizing gene function and provide a model for the expression of conditionally functional effects that may be fundamental in basic mechanisms of trait evolution and the genetic basis of disease susceptibility.

Variation in gene expression is a feature of all living systems and has recently been characterized extensively among wild strains of the model organism

ABSTRACT Factors shaping the distribution and abundance of species include life-history traits, population structure, and stochastic colonization-extinction dynamics. Field studies of model species groups help reveal the roles of these factors. Species of Caenorhabditis nematodes are highly divergent at the sequence level but exhibit highly conserved morphological uniformity, and many of these species live in sympatry on microbe-rich patches of rotten material. Here, we use field experiments and large-scale opportunistic collections to investigate species composition, abundance, and colonization efficiency of Caenorhabditis in two of the world’s best studied lowland tropical field sites: Barro Colorado Island in Panamá and La Selva in Sarapiquí, Costa Rica. We observed seven species of Caenorhabditis , four of them known only from these collections. While these localities contain species from many parts of the phylogeny, both localities were dominated by globally distributed androdiecious species. We found that Caenorhabditis were able to colonize baits accessible only by phoresy, preferring to colonize baits making direct contact with the ground. We estimate founder numbers per colonization event to be low.