Genetic diversity and mating systems in a mass-reared black soldier fly (Hermetia illucens) population
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Black soldier flies are gaining popularity as an alternative source of protein in animal feed. They have a high feed conversion ratio and can be reared on biowaste, reducing the energy input required for mass-rearing. As the number of mass-reared colonies is increasing worldwide, the importance of genetic management in commercial populations is becoming clear. This study aimed to determine the effects of domestication and mating behaviour on the genetic diversity of a mass-reared black soldier fly population. Eight microsatellite markers were used to estimate genetic diversity in two temporally separated samples of a wild black soldier fly colony (Wild2015 and Wild2018) and three distinct generations of a mass-reared black soldier fly colony (F28, F48 and F52). Diversity estimates decreased significantly in the mass-reared colony over time, when compared to the two wild samples. The mass-reared colony also saw an increase in relatedness over time, with a relatedness coefficient as high as 0.430 in generation F48. These results indicate severe inbreeding in the mass-reared colony. Effective population sizes of between 22.6 and 59.0 in the mass-reared colony are also a cause for concern, as populations with low effective population sizes are more vulnerable to inbreeding depression and extinction. The high levels of genetic diversity observed in the two wild samples provide the potential for the wild colony to become a donor population, providing immigrants to introduce genetic diversity into the mass-reared colony. However, based on FST estimates, the two populations appear to be diverging from each other over time. Moderate differentiation was observed between Wild2015 and F28 (FST=0.062; p=0.000), while great differentiation was observed between Wild2018 and F52 (FST=0.161; p=0.000). To minimise the risk of outbreeding depression, the compatibility of wild individuals with the artificial environment would therefore need to be tested before immigrants are introduced into the mass-reared population. To study the mating behaviour of the black soldier fly, five mating pairs were randomly sampled in copula from generation F48 of the mass-reared colony. All candidate parents and 25 offspring from each clutch were genotyped and subjected to parentage analysis. Multiple paternity was detected in two of the five families, providing evidence for polyandry. This was a novel finding, as observation had previously led to the hypothesis that this species is monogamous. The occurrence of polyandrous mating provides evidence that adult flies can mate multiply despite being unable to replenish energy through feeding, thereby creating the potential for polygynous mating. Additionally, polyandrous mating has positive implications for the genetic management of commercial black soldier fly populations. However, these results are limited to mass-reared colonies, as the higher population densities found in captive populations increase the probability of remating. Finally, diversity estimates and inbreeding estimates were calculated for the candidate parents, offspring, and the population the parents were sourced from. Individual parent pairs showed increased levels of relatedness when compared to the source population, indicating positive assortative mating. As markers from random genomic regions were used for this study, the observed increase in relatedness may provide additional evidence for inbreeding in the mass-reared population. However, inbred populations show greater genome wide
linkage disequilibrium, meaning that mate selection for desirable traits could potentially be detected in markers not directly related to traits of interest.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die gewildheid van die venstervlieg, Hermetia illucens, as ’n alternatiewe bron van proteïene in dierevoer is besig om toe te neem. Hulle het ’n hoë voer omsettings verhouding en kan grootgemaak word op organiese afval, wat die energie insette wat benodig word vir produksie verlaag. Die onlangse toename in kommersiële kolonies wêreldwyd is besig om die belang van genetiese bestuur in fabriek populasies na die voorgrond te bring. Die doel van hierdie studie was om die uitwerking van domestikasie en paringsgedrag op die genetiese diversiteit van ’n fabriek venstervlieg populasie te ondersoek. Agt mikrosatelliet merkers is gebruik om die genetiese diversiteit van twee temporaal-geskeide groepe van ʼn wilde venstervlieg kolonie (Wild2015 en Wild2018) en drie diskrete generasies van ’n fabriek populasie (F28, F48 en F52) te ondersoek. In vergelyking met die wilde populasie, was daar ’n beduidende verlies van genetiese diversiteit in die fabriek populasie. Die verwantskap tussen lede van die fabriek populasie het ook mettertyd toegeneem, met ’n verwantskapskoëffisiënt van 0.430 teen generasie F48. Hierdie bevindinge dui op hoë vlakke van inteling in die fabriek populasie. Verder is die effektiewe populasiegrootte in die fabriek ook ’n bron van kommer, met beraamde effektiewe populasie groottes van tussen 22.6 en 59.0 in die drie fabriek generasies. Populasies met klein effektiewe populasie groottes is meer kwesbaar vir intelingsdepressie en uitwissing. Aangesien die wilde venstervlieg kolonie hoë vlakke van genetiese diversiteit toon, sal hierdie kolonie moontlik gebruik kan word om immigrante te skenk vir die uitbreiding van diversiteit in die fabriek populasie. Volgens FST skattings, is die twee kolonies egter besig om geneties van mekaar te differensieer. Slegs matige differensiasie is waargeneem tussen Wild2015 en F28 (FST=0.062; p=0.000), terwyl groot differensiasie waargeneem is tussen Wild2018 en F52 (FST=0.161; p=0.000). Om die risiko van uittelingsdepressie te verlaag sal die verenigbaarheid van wilde vlieë met die kunsmatige omgewing bepaal moet word, voordat wilde immigrante aan die fabriek populasie geskenk word. Om die paringsgedrag van die venstervlieg te bestudeer, is vyf teelpare uit generasie F48 van die fabriek kolonie lukraak geselekteer tydens die proses van paring. Al tien potensiële ouers en 25 larwes van elke broeisel is gegenotipeer en ouerskap toetse is op die larwes uitgevoer. Veelvuldige vaderskap is in twee van die vyf families waargeneem, wat dui op poliandrie in die fabriek populasie. Hierdie was ’n nuwe bevinding, aangesien waarnemings in die verlede gedui het op monogamie in hierdie spesie. Die voorkoms van poliandriese paring wys dat volwasse vlieë wel veelvuldig kan paar, ten spyte van die feit dat hulle nie tussen parings energie kan aanvul deur te eet nie. Veelwywery is dus ook nou ’n moontlikheid in venstervlieë. Poliandrie het ook positiewe implikasies vir genetiese bestuur, aangesien veelvuldige paring ’n goeie invloed kan hê op genetiese diversiteit. Die huidige studie was egter beperk tot bevindinge in ’n kunsmatige omgewing, waar hoër populasie digthede as in die natuur kan lei tot ’n hoër waarskynlikheid van veelvuldige paring. Skattings van genetiese diversiteit en inteling vir potensiële ouers, hul nageslag en die populasie vanwaar die potensiële ouers verkry is, is gevolglik bereken. Afsonderlike ouerpare het ’n hoër mate van verwantskap getoon as individue in die algehele populasie, wat dui op positiewe assorterende paring. Aangesien merkers uit lukrake gebiede in die genoom gebruik is vir hierdie studie, is dit moontlik dat die toename in verwantskap tussen ouerpare ’n verdere bewys is van inteling in die fabriek populasie. Ingeteelde populasies toon egter ’n groter mate van genetiese koppeling, wat kan veroorsaak dat maat seleksie vir aanloklike kenmerke waargeneem word in merkers wat nie direk verband hou met die kenmerk van belang nie.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die gewildheid van die venstervlieg, Hermetia illucens, as ’n alternatiewe bron van proteïene in dierevoer is besig om toe te neem. Hulle het ’n hoë voer omsettings verhouding en kan grootgemaak word op organiese afval, wat die energie insette wat benodig word vir produksie verlaag. Die onlangse toename in kommersiële kolonies wêreldwyd is besig om die belang van genetiese bestuur in fabriek populasies na die voorgrond te bring. Die doel van hierdie studie was om die uitwerking van domestikasie en paringsgedrag op die genetiese diversiteit van ’n fabriek venstervlieg populasie te ondersoek. Agt mikrosatelliet merkers is gebruik om die genetiese diversiteit van twee temporaal-geskeide groepe van ʼn wilde venstervlieg kolonie (Wild2015 en Wild2018) en drie diskrete generasies van ’n fabriek populasie (F28, F48 en F52) te ondersoek. In vergelyking met die wilde populasie, was daar ’n beduidende verlies van genetiese diversiteit in die fabriek populasie. Die verwantskap tussen lede van die fabriek populasie het ook mettertyd toegeneem, met ’n verwantskapskoëffisiënt van 0.430 teen generasie F48. Hierdie bevindinge dui op hoë vlakke van inteling in die fabriek populasie. Verder is die effektiewe populasiegrootte in die fabriek ook ’n bron van kommer, met beraamde effektiewe populasie groottes van tussen 22.6 en 59.0 in die drie fabriek generasies. Populasies met klein effektiewe populasie groottes is meer kwesbaar vir intelingsdepressie en uitwissing. Aangesien die wilde venstervlieg kolonie hoë vlakke van genetiese diversiteit toon, sal hierdie kolonie moontlik gebruik kan word om immigrante te skenk vir die uitbreiding van diversiteit in die fabriek populasie. Volgens FST skattings, is die twee kolonies egter besig om geneties van mekaar te differensieer. Slegs matige differensiasie is waargeneem tussen Wild2015 en F28 (FST=0.062; p=0.000), terwyl groot differensiasie waargeneem is tussen Wild2018 en F52 (FST=0.161; p=0.000). Om die risiko van uittelingsdepressie te verlaag sal die verenigbaarheid van wilde vlieë met die kunsmatige omgewing bepaal moet word, voordat wilde immigrante aan die fabriek populasie geskenk word. Om die paringsgedrag van die venstervlieg te bestudeer, is vyf teelpare uit generasie F48 van die fabriek kolonie lukraak geselekteer tydens die proses van paring. Al tien potensiële ouers en 25 larwes van elke broeisel is gegenotipeer en ouerskap toetse is op die larwes uitgevoer. Veelvuldige vaderskap is in twee van die vyf families waargeneem, wat dui op poliandrie in die fabriek populasie. Hierdie was ’n nuwe bevinding, aangesien waarnemings in die verlede gedui het op monogamie in hierdie spesie. Die voorkoms van poliandriese paring wys dat volwasse vlieë wel veelvuldig kan paar, ten spyte van die feit dat hulle nie tussen parings energie kan aanvul deur te eet nie. Veelwywery is dus ook nou ’n moontlikheid in venstervlieë. Poliandrie het ook positiewe implikasies vir genetiese bestuur, aangesien veelvuldige paring ’n goeie invloed kan hê op genetiese diversiteit. Die huidige studie was egter beperk tot bevindinge in ’n kunsmatige omgewing, waar hoër populasie digthede as in die natuur kan lei tot ’n hoër waarskynlikheid van veelvuldige paring. Skattings van genetiese diversiteit en inteling vir potensiële ouers, hul nageslag en die populasie vanwaar die potensiële ouers verkry is, is gevolglik bereken. Afsonderlike ouerpare het ’n hoër mate van verwantskap getoon as individue in die algehele populasie, wat dui op positiewe assorterende paring. Aangesien merkers uit lukrake gebiede in die genoom gebruik is vir hierdie studie, is dit moontlik dat die toename in verwantskap tussen ouerpare ’n verdere bewys is van inteling in die fabriek populasie. Ingeteelde populasies toon egter ’n groter mate van genetiese koppeling, wat kan veroorsaak dat maat seleksie vir aanloklike kenmerke waargeneem word in merkers wat nie direk verband hou met die kenmerk van belang nie.
Description
Thesis (MScAgric)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Black soldier fly -- Genetic diversity, Black soldier fly (Hermetia illucens) larvae -- Nutrition, Insects -- Ecology, Diptera -- Biological control, Courtship in animals, UCTD