A phenotypic, transcriptomic, and genomic characterisation of the response to predicted climate change conditions in overwintering Osmia

Abstract

Climate change poses substantial challenges to wild bees, particularly through warmer winters that affect the critical overwintering state of temperate species, a physiological state characterised by non-feeding and, thus, heavily reliant on reduced ambient temperatures for limited energy consumption. To characterise the effects of warmer winters on overwintering mason bees across multiple biological levels, this thesis integrates physiological experiments with transcriptomics and population genomics in the two species Osmia bicornis and Osmia cornuta.

In Chapter 1, bees were exposed to field-realistic, elevated overwintering temper- atures, reflecting two major climate change scenarios outlined by the Intergov- ernmental Panel on Climate Change (SSP2-4.5 and SSP5-8.5). In both species, emergence timing advanced by three to six weeks and weight loss increased by 17– 60%, yet survival rates during the experiment were unaffected. These phenotypic responses demonstrate sensitivity to warming winters with potential fitness costs through reduced energy reserves at diapause termination and through potential phenological mismatches.

In Chapter 2, the first chromosome-level genome assembly and annotation for O. cornuta was generated, and together with a preliminary population genetic dataset, it was used to reveal low DNA methylation and reduced genetic diversity compared to social bees and other solitary bees. In addition, the employed long-read sequencing- based genome generation approach was characterised by cost-effectiveness while achieving high-quality assembly and annotation results and could, thus, serve as a guide to other de novo genome assembly efforts in non-model organisms.

In Chapter 3, the molecular responses to increased overwintering temperatures were characterised through RNA-sequencing of brain tissue sampled from the physiological experiment across multiple time points (Chapter 1). Both species exhibited extensive transcriptional reorganisation affecting metabolic pathways, protein homeostasis, and developmental programmes, with responses highly dy- namic across time—from several hundred differentially expressed genes after one week to thousands of genes after seven and fourteen weeks. Genes associated with oxidative phosphorylation and other metabolic processes shifted from suppression to activation under prolonged warming, highlighting the importance of accumulated iiitranscriptomic changes. In addition, large population genomic datasets for both spe- cies, with male samples from across all of Germany, revealed panmictic population structure and signatures of recent positive selection among temperature-responsive genes with species-specific patterns.

Together, these results suggest that while mason bees possess potential to respond to warming winters through phenotypic and transcriptomic plasticity, fitness costs might still manifest after overwintering due to increased weight loss and priorit- isation of metabolic transcriptional programmes over developmental programmes, suggesting that climate change impacts extend beyond direct mortality. As the two species investigated exhibited remarkably similar phenotypic and transcriptomic responses despite differences in selection patterns and two-fold differences in ge- netic diversity, other related species might harbour a similar potential for plastic responses to warmer winters. While there were sex differences in the physiological response to elevated temperatures, there was only very limited evidence of sex differences in the brain transcriptome response, suggestive of either differences in post-transcriptional regulation or tissue-specificity of sex differences. This integrat- ive approach, combining experimental, molecular, and genomic methods, provides mechanistic understanding of thermal responses necessary for scientifically-informed conservation of wild bees and their pollination services.

Der Klimawandel stellt Wildbienen vor erhebliche Herausforderungen, insbesondere durch wärmere Winter, die den sensiblen Überwinterungsphänotyp von Arten in gemäßigten Breiten potentiell stark beeinflussen. Um die Auswirkungen wärmerer Winter auf überwinternde Mauerbienen über mehrere biologische Ebenen hinweg zu charakterisieren, integriert diese Arbeit daher physiologische Beobachtungen mit transkriptomischen und populationsgenomischen Analysen in den beiden Arten Osmia bicornis und Osmia cornuta.

In Kapitel 1 wurden die Bienen feldrealistischen, erhöhten Überwinterungstemperat- uren ausgesetzt, die zwei Klimawandelszenarien des Intergovernmental Panel on Climate Change (SSP2-4.5 und SSP5-8.5) widerspiegeln. Bei beiden Arten verschob sich der Schlupfzeitpunkt um drei bis sechs Wochen nach vorne und der Gewichtsver- lust erhöhte sich um 17–60 %, während die Mortalitätsrate unbeeinflusst blieb. Diese phänotypischen Reaktionen demonstrieren eine Sensibilität gegenüber sich erwär- menden Wintern mit potentiellen Fitnesskosten durch reduzierte Energiereserven zum Schlupfzeitpunkt und mögliche phänologische Verschiebungen.

In Kapitel 2 wurde die erste Genomassemblierung und -annotation auf Chromo- somenebene für O. cornuta vorgestellt und zusammen mit einem populationsgen- etischen Datensatz genutzt, um eine verringerte genomweite DNA-Methylierung und reduzierte genetische Diversität im Vergleich zu sozialen Spezies aufzudecken. Der angewandte Ansatz auf Basis von Long-Read Sequenzierdaten führte dabei zu hochqualitativen Ergebnissen bei gleichzeitiger Kosteneffizienz und könnte, daher, wegweisend für weitere De-novo Assemblierungsprojekte in Nicht-Modellorganismen sein.

In Kapitel 3 wurden die molekularen Reaktionen auf erhöhte Überwinterungstem- peraturen durch RNA-Sequenzierung von Hirngewebe charakterisiert. Beide Arten zeigten eine umfassende transkriptionelle Reorganisation, die Stoffwechselwege, Proteinhomöostase und Entwicklungsprogramme betraf. Dabei waren die transkrip- tomischen Veränderungen über die Zeit hochdynamisch – von mehreren hundert differenziell exprimierten Genen nach einer Woche bis zu mehreren Tausenden nach sieben und vierzehn Wochen. Gene der oxidativen Phosphorylierung wechselten von Suppression zu Aktivierung unter anhaltender Ausgesetztheit gegenüber wärmeren vÜberwinterungstemperaturen, was die Bedeutung akkumulierter transkriptomischer Veränderungen unterstreicht. Darüber hinaus offenbarten populationsgenomische Datensätze mit männlichen Individuen aus ganz Deutschland eine panmiktische Populationsstruktur in beiden Spezies und Signaturen rezenter positiver Selektion innerhalb der differenziell exprimierten Gene.

Zusammenfassend legen diese Ergebnisse nahe, dass Mauerbienen zwar das Po- tenzial besitzen, auf wärmere und wechselhaftere Winter durch phänotypische und transkriptomische Plastizität zu reagieren, dem gegenüber stehen jedoch po- tentielle Fitnesskosten durch erhöhten Gewichtsverlust und die Priorisierung von metabolischen Signaltransduktionswegen gegenüber Entwicklungsprogrammen. Da beide Arten ähnliche phänotypische und molekulare Reaktionen zeigten – trotz Unterschieden in den rezenten Selektionsmustern und der genetischen Diversität – ist davon auszugehen, dass solche plastischen Reaktionen auch in artverwandten Spezies auftreten können. Während die Geschlechter in beiden Spezies auf phäno- typischer Ebene unterschiedlich auf die Temperaturexposition reagierten, zeigte sich nur wenig Differenzierung auf der Ebene der transkriptionellen Genregulation, was auf die Bedeutung post-transkriptioneller Regulationsprozesse oder Gewebespezi- fität hindeutet. Der hier vorgestellte integrative Ansatz liefert ein mechanistisches Verständnis der molekularen Grundlage thermischer Reaktionen bei überwinternden Wildbienen, welches für den Schutz dieser Arten sowie ihrer Bestäubungsleistungen hochrelevant ist.