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Global warming is expected to be associated with diverse changes in freshwater habitats in north-western Europe. Increasing evaporation, lower oxygen concentration due to increased water temperature and changes in precipitation pattern are likely to affect the survival ratio and reproduction rate of freshwater gastropods (Pulmonata, Basommatophora). This work is a comprehensive analyse of the climatic factors influencing their ranges both in the past and in the near future. A macroecological approach showed that for a great proportion of genera the ranges were projected to contract by 2080, even if unlimited dispersal was assumed. The forecasted warming in the cooler northern ranges predicted the emergence of new suitable areas, but also reduced drastically the available habitat in the southern part of the studied region. In order to better understand the ranges dynamics in the past and the post glacial colonisation patterns, an approach combining ecological niche modelling and phylogeography was used for two model species, Radix balthica and Ancylus fluviatilis. Phylogeographic model selection on a COI mtDNA dataset confirmed that R. balthica most likely spread from two central European disjunct refuges after the last glacial maximum. The phylogeographic analysis of A. fluviatilis, using 16S and COI mtDNA datasets, also inferred central European refugia. The absence of niche conservatism (adaptive potential) inferred for A. fluviatilis puts a cautionary note on the use of climate envelope models to predict the future ranges of this species. However, the other model species exhibited strong niche conservatism, which allow putting confidence into such predictions. A profound faunal shift will take place in Central Europe within the next century, either permitting the establishment of species currently living south of the studied region or the proliferation of organisms relying on the same food resources. This study points out the need for further investigations on the dispersal modes of freshwaters snails, since the future range size of the species depend on their ability to establish in newly available habitats. Likewise, the mixed mating system of these organisms gives them the possibility to fund a new population from a single individual. It will probably affect the colonisation success and needs further investigation.
The transition from the marine to the terrestrial realm is one of the most fascinating issues in evolutionary biology for it required the appearance, in different organisms, of several novel adaptations to deal with the demands of the new realm. Adaptations include, for instance, modifications in different metabolic pathways, development of body structures to facilitate movement and respiration, or tolerance to new conditions of stress. The transition to the land also gives an extraordinary opportunity to study whether evolution used similar changes at the genomic level to produce parallel adaptations in different taxa. Mollusks are among taxa that were successful in the conquest of the land. For instance, several lineages of the molluscan clade Panpulmonata (Gastropoda, Heterobranchia) invaded the intertidal, freshwater and land zones from the marine realm. In my dissertation, using tools from bioinformatics, phylogenetics, and molecular evolution, I used panpulmonates as a suitable model group to study the independent invasions into the terrestrial realm and the adaptive signatures in genes that may have favored the realm transitions. My work includes two peer-reviewed published papers and one manuscript under review. In Publication 1 (Romero et al., 2016a), I used mitochondrial and nuclear molecular markers to resolve the phylogeny of the Ellobiidae, a family that possesses intertidal and terrestrial species. The phylogeny provided an improved resolution of the relationships within inner clades and a framework to study the tempo and mode of the land transitions. I showed that the terrestrialization events occurred independently, in different lineages (Carychiinae, Pythiinae) and in different geological periods (Mesozoic, Cenozoic). In addition, the diversification in this group may not have been affected by past geological or climate changes as the Cretaceous-Paleogene (K-Pg) event or the sea-level decrease during the Oligocene. In Publication 2 (Romero et al., 2016b), I generated new mitochondrial genomes from terrestrial species and compared them with other panpulmonates. I used the branch-site test of positive selection and detected significant nonsynonymous changes in the terrestrial lineages from Ellobioidea and Stylommatophora. Two genes appeared under positive selection: cob (Cytochrome b) and nad5 (NADH dehydrogenase 5). Surprisingly, I found that the same amino acid positions in the proteins encoded by these genes were also under positive selection in several vertebrate lineages that transitioned between different habitats (whales, bats and subterranean rodents). This result suggested an adaptation pattern that required parallel genetic modifications to cope with novel metabolic demands in the new realms. In Manuscript 1 (Romero et al., under review), I de novo assembled transcriptomes from several panpulmonate specimens resulting in thousands of genes that were clustered in 702 orthologous groups. Again, I applied the branch-site test of positive selection in the terrestrial lineages from Ellobioidea and Stylommatophora and in the freshwater lineages from Hygrophila and Acochlidia. Different sets of genes appeared under positive selection in land and freshwater snails, supporting independent adaptation events. I identified adaptive signatures in genes involved in gas-exchange surface development and energy metabolism in land snails, and genes involved in the response to abiotic stress factors (radiation, desiccation, xenobiotics) in freshwater snails. My work provided evidence that supported multiple land invasions within Panpulmonata and provided new insights towards understanding the genomic basis of the adaptation during sea-to-land transitions. The results of my work are the first reports on the adaptive signatures at the codon level in genes that may have facilitated metabolic and developmental changes during the terrestrialization in the phylum Mollusca. Moreover, they contribute to the current debate on the conquest of land from the marine habitat, a discussion that has been only based in vertebrate taxa. Future comparative genome-wide analyses would increase the number of genes that may have played a key role during the realm transitions.
Derzeit breiten sich gebietsfremde Stechmücken (Diptera: Culicidae) aufgrund von Globalisierung und Klimawandel auf der ganzen Welt aus und bilden neue, stabile Populationen. Wegen ihrer hämatophagen Ernährungsweise sind sie Überträger von Pathogenen, die teilweise schwere bis tödliche Krankheiten beim Menschen, seinen Haustieren oder auch Wildtieren auslösen können. Mit den Stechmücken treten daher auch Infektionskrankheiten vermehrt in Gebieten auf, in denen sie vorher nicht vorkamen oder als bereits ausgerottet galten. Da die meisten im Menschen wirksamen Pathogene nicht durch Impfungen kontrolliert werden können, bleibt als eine der wenigen Möglichkeit der Krankheitsprävention die Dezimierung der Stechmückenpopulation. Daher sind Stechmücken momentan im Fokus von biologischer und epidemiologischer Forschung. Diese hat zum Ziel epidemische Krankheitsausbrüche vektorübertragener Krankheiten in der menschlichen Population zu verhindern. Eine Verringerung der lokalen Stechmückenpopulation bis hin zum Aussterben kann durch die Verwendung von Insektiziden, die Vernichtung von Bruthabitaten oder anderen Kontrollmaßnahmen erreicht werden. Jedoch sind diese Maßnahmen unterschiedlich effektiv, haben zum Teil unerwünsch-te ökologische und gesundheitsschädigende Folgen und sind unterschiedlich aufwendig und kostenintensiv in der Anwendung. Für die Entwicklung eines integrierten, effektiven, zielgerichteten und kostengünstigen Vektormanagements fehlen bislang jedoch die populationsbiologischen Grundlagen.
Ziel dieser Arbeit ist daher die Schaffung der Datengrundlage eines Integrierten Stechmückenmanagements für die Asiatische Buschmücke (Aedes japonicus japonicus THEOBALD 1901), die am weitesten verbreitete exotische Stechmücke in Deutschland. Schwerpunkte dafür wurden auf das zeitliche und räumliche Vorkommen, die Temperaturabhängigkeit des Lebenszyklus, sowie die Wirksamkeit von Kontrollmethoden gelegt.
Die Kenntnis der räumlichen Verbreitung und saisonalen Häufigkeit der Stechmücken ist notwendig, um befallene Standorte und Zeitpunkte des größten Populationszuwachses definieren zu können. Die Verbreitung und die Häufigkeit der endothermen Stechmücken sind stark von der Umgebungstemperatur abhängig, die beispielsweise deren Entwicklungsdauer und Sterblichkeit beeinflusst. Dabei entwickeln sich die verschiedenen Stadien (Ei, Larven, Puppe, Imago), die eine Stechmücke während ihres Lebens durchläuft, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur unterschiedlich und haben jeweils andere Temperaturpräferenzen. Lebenszyklustabellen geben die Entwicklungsdauer und Mortalität pro Stadium in Abhängigkeit von der Temperatur an. Mit ihrer Hilfe können somit die räumlichen und zeitlichen Vorkommen und Häufigkeiten einer Stechmückenart berechnet werden. Dies ist insbesondere für Stechmücken in Gebieten mit jahreszeitlichen Temperaturveränderungen wichtig. Um Daten für eine solche Lebenszyklustabelle aufnehmen zu können, ist es notwendig Laborexperimente bei festgelegten Temperaturen durchzuführen. Die Voraussetzung dafür ist, dass die Stechmückenart im Labor optimale Bedingungen erhält, um ihren Lebenszyklus abschließen zu können. In dieser Arbeit wurde daher ein Laborprotokoll entwickelt, mithilfe dessen der Lebenszyklus der Asiatischen Buschmücke im Labor untersucht werden kann. Dazu wurden systematisch die Fütterung, die innerartliche Konkurrenz und das Wasservolumen des Brutge-fäßes für die aquatischen Stadien erprobt. Auf Basis dieses Protokolls wurden anschließend die Temperatureinflüsse auf die Entwicklung aller Stadien aufgenommen. Diese Daten dienten der Parametrisierung eines populationsdynamischen Modells. Dieses wurde verwendet, um Standorte mehrjähriger Populationen zu definieren, saisonale Häufigkeiten für Deutschland zu berechnen, durch Temperaturveränderungen hervorgerufene zukünftige Verbreitungsgebiete vorherzusagen, sowie Effekte von Kontrollmaßnahmen auf die Häufigkeit der Asiatischen Buschmücke zu modellieren.
Um eine dauerhafte Kontrolle der Stechmückenvektoren zu gewährleisten, ist weiterhin die permanente Neuentwicklung von wirksamen Kontrollmethoden notwendig. Dazu gehört die präventive Vermeidung von Bruthabitaten der aquatischen Stadien von Stechmücken. Die exotischen Stechmücken, die in Deutschland etabliert sind, gehören mehrheitlich der Gattung Aedes an und sind sogenannte Gefäßbrüter. Ihre bevorzugten Bruthabitate sind kleine Was-seransammlungen wie sie in Baumhöhlen, Gesteinsauswaschungen, Gießkannen, Regentonnen und Blumenuntersetzern vorkommen. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Farben und Volumina von Plastikbechern die Asiatische Buschmücke zur Eiablage bevorzugt, um präferierte Bruthabitate gezielt zu identifizieren und verringern zu können. Auch die Bereitstellung von Insektiziden wird durch in Stechmücken auftretende Insektizidresistenzen erschwert. Insektizide sollen dabei umweltfreundlich, spezifisch für den Zielorganismus und nicht gesundheitsschädlich für den Menschen sein. Weiterhin sind eine gute Anwendbarkeit, geringe Kosten und eine hohe Effizienz wünschenswert. Eine Quelle für potentielle Insektizide sind pflanzliche Stoffe, zum Beispiel ätherische Öle. Diese sind leicht erhältlich, natürlichen Ursprungs und wirksame Vergrämungsmittel gegen stechbereite Stechmückenweibchen. In dieser Arbeit wurde nach einer Literaturrecherche Nelkenöl ausgewählt und als Insektizid gegen Larven der Asiatischen Buschmücke getestet. Dafür wurden die akute toxische Wirkung von Nelkenöl bei drei Temperaturen untersucht und zusätzlich die Wirkung von Nelkenöl auf die Eiablage im Freiland. Nelkenöl zeigte dabei sowohl eine larvizide als auch eine eiablagehemmende Wirkung. Weiterhin wurde Kupfer in Form von kupferhaltigen Euromünzen als Larvizid untersucht. Kupfer ist ein wirksamer Stoff gegen die aquatischen Stadien von Stechmücken. Allerdings wurde der Stoff noch nicht in Form der einfach zu handhabenden, leicht erhältlichen Kupfermünzen getestet. Dazu wurden Vorexperimente durchgeführt, um herauszufinden, wieviel Kupferionen sich aus den Münzen lösen lassen. Anschließend wurde der akut toxische Effekt auf Larven der Asiatischen Buschmücke untersucht.
Ein Integriertes Stechmückenmanagement hat zum Ziel, die lokale Stechmückenpopulation zu kontrollieren, um so Stichen und daraus resultierender Krankheitsübertragung vorzubeugen. Dies erfolgt über die Aufklärung von Betroffenen, der Überwachung der Stechmückenpopulation, dem Testen auf Pathogenbefall und der direkten Kontrolle von Stechmücken. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu den Kenntnissen über die Laborhaltung einer exotischen Stechmückenart, zur Identifizierung von Bruthabitaten, zur zeitlichen und räumlichen Festlegung von Kontrollmaßnahmen und zur Anwendung von Larviziden und eines Vergrämungsmittels. Mit dieser Arbeit wurde die Grundlage eines faktenbasierten Integrativen Stechmückenmanagements für die Asiatische Buschmücke entwickelt, das eventuell auch auf weitere Aedes-Arten übertragbar ist, und als Handlungsempfehlung für politische Entscheidungstragende dienen kann.
The mammalian family of bears (Ursidae) comprises eight extant species, occurring on four different continents. Among them are the iconic and well-known brown and polar bears, both widely distributed across the Northern hemisphere. Their intraspecific genetic structuring has been extensively investigated, albeit with a focus on genetic markers from maternally inherited parts of their genomes (mitochondrial DNA). The evolutionary relationship and divergence time between brown and polar bears have recently triggered an extensive debate, while less focus has been put on to other parts of the ursid phylogeny, particularly to a clade of three Asian bear species. To date, whole genomes of more than 100 bear individuals from four different species have been sequenced. Yet, one fundamental part of the genome has been largely omitted from specific analyses, in bears as well as in most other mammals: the Y chromosome.
The mammalian Y chromosome provides a unique perspective on the evolutionary history of organisms due to its distinct features, and specifically reflects the patriline because of its male-specific inheritance. The characteristics of this chromosome make it well suited to complement and contrast evolutionary inferences based on other genetic markers, and to uncover processes like sex-biased gene flow and hybridization. The unique insights that can be gained from analyses of Y-linked genetic variation made me utilize this part of the genome to investigate the evolution of male lineages in bears. Studying the patriline is particularly promising in this taxonomic group because of male-biased dispersal and a complex and fast radiation of bears. The analysis of Y-chromosomal genetic markers is thus the common theme of this dissertation: I present the identification of large amounts of Y-chromosomal sequence, the development of male-specific markers from such sequences, and the application of these markers to trace the evolution of male lineages of different bear species.
Specifically, I developed a molecular sex determination system based on the detection of two Y-linked fragments that allows to reliably discriminate between females and males from seven different bear species (Bidon et al. 2013). The approach is highly sensitive, bear-specific, and can be applied in standard molecular laboratories. This makes it valuable in conservation genetics and forensic applications, e.g. to analyze non-invasively collected samples.
Furthermore, I used Y-linked markers in a comprehensive and range-wide sample of brown and polar bears, and show that male-biased gene flow plays an important role in distributing genetic material throughout the ranges of both species (Bidon et al. 2014). In brown bears, I detected a lack of paternal population structuring which is in strong contrast to the detailed structuring of the matriline.
Analyzing Y-chromosomal sequences from all eight bear species, I present a phylogeny of the patriline that largely resembles the topology from other nuclear markers but is different from the topology of the mitochondrial gene tree (Kutschera et al. 2014). This discordance among loci generates interesting hypotheses about inter-species gene flow, particularly among American and Asiatic black bears.
With the identification of almost two million basepairs of Y-chromosomal sequence and the analysis of an unprecedented large male-specific dataset in polar bears, a high-resolution view on the distribution of their intraspecific variation was obtained (Bidon et al. 2015). In particular, two clades that are divergent but do not show pronounced phylogeographic structure were detected, confirming the great dispersal capacity of males of this high arctic species.
This dissertation thus represents a comprehensive investigation of Y-linked genetic variation on the intra- and interspecific level in a non-model organism. With my research, I contribute to an increased understanding of the complex evolutionary history of bears. In particular, I show that male-biased gene flow strongly influences the distribution of nuclear genetic variation, and that the contrast between phylogenies of differentially inherited markers can help to understand interspecific hybridization between closely related species. Moreover, my findings demonstrate the potential of Y-chromosomal markers to uncover unknown evolutionary patterns and processes. This applies not only to bears but to many species, even such that are generally well known and well described.
Introduction:
The evolutionary patterns of symbiotic organisms are inferred using cophylogenetic methods. Congruent phylogenies indicate cospeciation or host-switches to closely-related hosts, whereas incongruent topologies indicate independent speciation. Recent studies suggest that coordinated speciation is a rare event, and may not occur even in the highly specialized associations. The cospeciation hypothesis was mainly tested for free-living mutualistic associations, such as plant-pollinator interactions, and host-parasitic systems but was rarely tested on obligate, mutualistic associations involving intimate physiological interactions. Symbionts with lower partner selectivity may not experience coordinated speciation due to frequent switching of partners. On the other hand, symbionts with high partner selectivity may influence each other’s evolution owing to the highly interdependent lifestyles. Symbiont association patterns are also influenced by habitat and it has been proposed that symbiotic interactions are stronger in warm regions as compared to cooler regions (also referred as latitudinal gradient of biotic specialization). This hypothesis however, has recently been challenged and it has been suggested that a gradient of biotic specialization may not exist at all. Reliable species concepts are a prerequisite for understanding the association and evolutionary patterns of symbiotic organisms. The species concepts of many groups traditionally relied on the morphological species concept, which may not be adequate for distinguishing species due to the: i) homoplasious nature of morphological characters, an due to the inability to distinguish cryptic species. Thus phylogenetic species concept along with coalescent-based species delimitation approaches, which utilize molecular data for inferring species boundaries have been used widely for resolving taxonomic relationships. Lichens are obligatory symbiotic associations consisting of a fungal partner (mycobiont) and one or more photosynthetic partners, algae, and/or cyanobacteria (photobionts). I used the lichen forming fungal genus Protoparmelia as my study system, which consists of ~25-30 previously described species inhabiting different habitats, from the arctic to the tropics. This makes Protoparmelia an ideal system to explore the association and evolutionary patterns across different macrohabitats.
Objectives:
The objectives of this thesis were to 1. Elucidate the phylogenetic position of Protoparmelia within Lecanorales, and infer the monophyly of Protoparmelia; 2. Understand species diversity within Protoparmelia s.str. using coalescent-based species delimitation approaches; and 3. To identify the Trebouxia species associated with Protoparmelia using phylogenetic and species delimitation approaches and to infer the association and cophylogenetic patterns Protoparmelia and Trebouxia in different macrohabitats.
Results and discussion:
Chapter 1: Taxonomic position of Protoparmelia
In the first part of this study I explored the taxonomic position of Protoparmelia within the order Lecanorales. Overall this study included 54 taxa from four families, sequenced at five loci (178 sequences). I found Protoparmelia to be polyphyletic and sister to Parmeliaceae.
Chapter 2: Multilocus phylogeny and species delimitation of Protoparmelia spp.
In this part of the study, I identified and delimited the Protoparmelia species forming a monophyletic clade sister to Parmeliaceae i.e., Protoparmelia sensu stricto group, based on the multilocus phylogeny and coalescent-based species delimitation approaches. I included 18 previously described and three unidentified Protoparmelia species, which represents ~70% of the total described species, and 73 other taxa, sequenced at six loci. I found that the sensu stricto group comprised of 25 supported clades instead of 12 previously described Protoparmelia species. I tested the speciation probabilities of these 25 clades using species delimitation softwares BP&P and spedeSTEM. I found nine previously unrecognized lineages in Protoparmelia and I propose the presence of at least 23 species for Protoparmelia s.str., in contrast to the 12 described species included in the study.
Chapter 3: Association and cophylogenetic patterns of Protoparmelia and its symbiotic partner Trebouxia
...
In the light of emerging resistances against common drugs, new drug leads are required. In the past natural sources have been more yielding in this respect than synthetic strategies. Fungi synthesize many natural products with biological activities and pharmacological relevance. However, only a fraction of the estimated fungal diversity has been evaluated for biological activity, and much of the Fungi’s natural chemical diversity awaits discovery. Especially promising in this context are lichenized fungi. Lichens are well known for their particularly rich and characteristic secondary chemistry which allows them to withstand intense UV radiation, protects them against herbivory, and prevents them from being overgrown. The slow growth rates of lichens and difficulties and infeasibility of large scale cultivations in the laboratory render lichens inaccessible for applied purposes. These experimental challenges have led to a poor understanding of the molecular mechanisms underlying the biosynthesis of characteristic lichen secondary metabolites. The recent development of improved sequencing techniques has enabled new strategies to address multi-species assemblages directly through metagenome sequencing and survey their biosynthetic potential through genome mining. However, whole genome sequencing of entire lichen thalli to metagenomically assess the lichen-forming fungus without the need of cultivation has not been evaluated for lichens before. This approach will enable the reconstruction of fungal genomes from mixed DNA from lichen thalli and allow the exploration of biosynthetic gene content.
My thesis was conducted in two parts: a methodological evaluation of a metagenomic strategy to reconstruct genomes and gene sets of lichen-forming fungi, and the exploration of biosynthetic gene content with the help of comparative genomics and phylogenetics. For the first part, I evaluated the quality of metagenome-derived genome assemblies and gene sets by direct comparison to culture-derived reference assemblies and gene sets of the same species. I showed that metagenome-derived fungal assemblies are comparable to culture-derived references genomes and have a similar total genome size and fungal genome completeness. The quality of assemblies was affected strongly by the choice of assembler, but not by the method of taxonomic assignment or inference of non-mycobiont DNA sequences. The fungal gene space is well covered in metagenome-derived and culture-derived fungal gene sets and overlaps to 88-90 %. Finally, the metagenome-derived assemblies reliably recover gene families of secondary metabolism. This shows the suitability of metagenomically derived genomes for mining biosynthetic genes, and potentially also other gene families. Overall, the method validation showed a high similarity between metagenome- and culture-derived genome assemblies.
For the second part of my thesis, I explored the biosynthetic gene content in two different systems: Between two sister-species with different ecological requirements but similar chemical profile, and between two species which are metabolite-rich and economically relevant in the perfume industry. I compared the diversity of biosynthetic gene clusters between the species and in the broader context of other lichenized and non-lichenized fungi. Overall, the whole genome mining revealed a large number of uncharacterised secondary metabolite gene clusters in fifteen genomes of lichen-forming fungi compared to other fungal classes. Their number highly outweighs the number of known synthesized metabolites and highlights the hidden biosynthetic potential in lichen-forming fungi. Many biosynthetic gene clusters in the ecological distinct sister-species showed a high homology in accordance with the high synteny in gene content and order in both genomes. These clusters represent ideal candidates for secondary metabolites synthesized by both species, while the remaining clusters may encode for metabolites relevant for the different ecological requirements of both species. The metabolite-rich species used in the perfume industry showed a particularly high number of biosynthetic gene clusters. An in-depth characterization of architecture and gene content of homologous gene clusters together with hints from phylogenetic relatedness to functional characterized metabolites provides promising insights into the biosynthetic gene content of these lichen-forming fungi.
In conclusion, I showed that metagenome sequencing of natural lichen thalli is a feasible approach to reconstruct the fungal mycobiont genome of lichens and circumvent time-consuming and in some cases impossible cultivation of individuals. The genome mining for secondary metabolite gene clusters in lichen-forming fungi revealed a high biosynthetic potential for the discovery of new natural products. One of the focal species, Evernia prunastri, contained the highest ever reported number (80) of biosynthetic clusters in lichenized fungi. The comprehensive cluster characterizations through annotation, comparative mapping and phylogenetics provide first valuable hints for linking metabolites to genes in these lichen-forming fungi. My results pave the way for biotechnological strategies to unlock the vast richness of natural products from lichens for applied purposes.
Evolutionary genetics of bears and red foxes over phylogenetic and phylogeographic time scales
(2014)
Climatic fluctuations during the Pleistocene (2.6-0.01 million years) have played an important role during evolution of many species. Cyclic range contractions and expansions had demographic consequences within species, provided environmental conditions for population divergence and speciation and enabled secondary contact and interspecific hybridization. These and other evolutionary processes have left genetic signatures in the genomes of affected organisms. Comprehensive and unbiased estimates of evolutionary processes can be obtained using genetic markers from different parts of the genome and by integrating population genetic and phylogenetic concepts.
Suitable for studies on evolutionary processes and patterns over different evolutionary time scales are bears (Ursidae) and foxes (Vulpes), which occupy a wide range of habitats and evolved during the past few millions of years. In my thesis, I therefore used bears and red foxes as study species to investigate the genetic variation within and between species and to obtain estimates of evolutionary relationships and divergence times of populations and species that I interpreted in a climatic context. Further, I investigated population genetic processes during the evolution of bears. My thesis includes three publications and one submitted manuscript, spanning different evolutionary time scales - from evolutionary relationships and processes among species (phylogenetic time scales, Publications I & II), among populations and closely related species in a geographical context (phylogeographic time scales, Publications II & III), to ongoing processes within species (population genetic time scales, Publication IV).
In Publication I (Kutschera et al. 2014, Mol Biol Evol 31(8):2004-2017), I studied bears at several nuclear markers from several individuals per species, complemented with markers from the Y chromosome. Using approaches based on a population genetic concept (coalescent theory) I obtained a species tree with divergence time estimates. Further, I studied two evolutionary processes in bears, interspecific gene flow and incomplete lineage sorting (ILS). This study contributed to the growing evidence that population genetic processes can be relevant on time scales up to several millions of years.
In Publication II (Hailer, Kutschera et al. 2012, Science 336(6079):344-347), we complemented previous mitochondrial (mt) DNA-based inference of the evolutionary history of polar and brown bears with nuclear DNA. Coalescence-based species tree analyses of multiple nuclear markers from several individuals per species placed polar bears as sister lineage to brown bears and their divergence time to about 600 thousand years ago (ka). This contrasted previous mtDNA-based inference. We explained this discrepancy between mtDNA and nuclear DNA with interspecific gene flow between polar and brown bears.
In Publication III (Kutschera et al. 2013, BMC Evol Biol 13:114), I studied range-wide phylogeographic events and their timing in red foxes. A synthesis of newly generated and published mtDNA sequences was analyzed using a coalescence-based approach with multiple fossil calibration points. Thereby, I validated the identity and geographic distribution of several red fox lineages and showed that red foxes colonized North America and Japan several times independently during the late Pleistocene (126-11 ka) and around the last glacial maximum (26.5-19 ka). In a comparison of my results from red foxes to brown bears and grey wolves, I identified similar phylogeographic patterns.
In Publication IV (Kutschera et al., submitted to Biol Conserv), I found similar levels of genetic variability in vagrant polar bears that had reached Iceland compared to established subpopulations from across the range. Based on climate projections reported by the Intergovernmental Panel on Climate Change in 2014, polar bear habitat will markedly decline and become increasingly fragmented within the next decades. Dispersal will play an important role by connecting isolated subpopulations, thereby maintaining genetic diversity levels. My results indicate that vagrants could stabilize genetic variability when immigrating into established subpopulations.
In conclusion, my thesis provided a deeper understanding of evolutionary genetic processes and patterns and their timing in bears and red foxes in a climatic context, which can have conservation implications. Further, I showed that processes like ILS and interspecific gene flow can be relevant over different time scales and are important aspects of evolutionary history. Thereby, my thesis contributed to the knowledge on the evolutionary history of several carnivore species and on evolutionary processes acting within and between closely related species.
Genetic and genomic tools have provided researchers with the opportunity to address fundamental questions regarding the reintroduction of species into their historical range with greater precision than ever before. Reintroduction has been employed as a conservation method to return locally extinct species to their native range for decades. However, it remains unknown how genetic factors may impact population establishment and persistence at the population and metapopulation level in the short- and long-term. Genetic methods are capable of producing datasets from many individuals, even when only low quality DNA can be collected. These methods offer an avenue to investigate unanswered questions in reintroduction biology, which is vital to provide evidence based management strategies for future projects. The Eurasian lynx (Lynx lynx) and European wildcat (Felis silvestris) are elusive carnivores native to Eurasia and have been the subject of multiple reintroduction attempts into their native range. During the 19th and 20th century, the Eurasian lynx was extirpated from West and Central Europe due to increasing habitat fragmentation and persecution. Similarly, the European wildcat was the subject of human persecution, residing in a few refugia in West and Central Europe. After legal protection in the 1950s, subsequent reintroduction projects of both species began in the 1970s and 1980s and continue to the present. Despite this large focus on species conservation, little attention has been given to the consequences these reintroductions have on the genetic composition of the reintroduced populations and if the populations have a chance of persisting in the long term. These species have not yet benefited from the large range of genetic and genomic techniques currently available to non-model organisms, leaving many fundamental aspects of their reintroduction poorly understood. In my dissertation, I investigate demography, population structure, genetic diversity and inbreeding at the population and metapopulation level in both species. In the introduction, which lays the foundation for the subsequent chapters of this PHD, I provide background on reintroduction, its role in conservation and the genetic consequences on populations, especially populations of apex and mesocarnivores. In Publication I, I investigated the reemergence of the European wildcat in a low mountain region in Germany using fine-scale spatial analysis. I found that the reintroduced population has persisted and merged with an expanding natural population. The reintroduced population showed no genetic differentiation from the natural population suggesting there is a good chance this population has retained sufficient genetic diversity despite reintroduction. In Publication II, I tracked population development and genetic diversity over 15 years in a reintroduced lynx population to determine the genetic ramifications on a temporal scale. I found slow genetic erosion after a period of outbreeding, which fits in line with other reintroduced taxa sharing similar demographic histories. I also found the number of genetic founders to be a fraction of the total released individuals, indicating that reintroduced populations of elusive carnivores may have fewer founder individuals than previously thought. In Publication III, I sampled all surviving lynx reintroductions in West and Central Europe as well as 11 natural populations to compare levels of genetic diversity and inbreeding across the species distribution. I found that all reintroduced populations have lower genetic variability and higher inbreeding than natural populations, which urgently requires further translocations to mitigate possible negative consequences. These translocations could stem from other reintroduced populations or from surrounding natural populations. The results contribute to a growing body of evidence indicating that inbreeding is likely to be more prevalent in wild populations than previously understood. Finally, in the discussion I explore how genetic methods can be applied to post-reintroduction monitoring of felid species to illuminate questions relating to genetic composition after release. The methods employed in these studies and in future work will be highly dependent on the research questions posed. Additionally, I investigate the drivers of the observed genetic patterns including founder size, source population, environmental factors, and population growth. I found that genetic diversity loss patterns across these two felid species are not clearly defined, however, management actions can be taken to mitigate the negative effects of reintroductions. These management actions include further translocation, introducing a sufficient number of released individuals and situating reintroductions adjacent to natural populations. All of these actions can minimize genetic drift and inbreeding, two factors which negatively impact small populations. This thesis further supports mounting evidence that genetic considerations should be assessed before releasing individuals, which allows for incorporation of scientific evidence into the planning process thereby increasing the overall success of reintroduction projects. Ultimately, the resources developed during this dissertation provide a solid baseline and foundation for future work regarding the consequences of reintroductions. This is especially important as an increasing number of species are at risk of extinction and reintroductions of both the European wildcat and Eurasian lynx, as well as many others, are planned in the coming years.
Bayessche Methoden zur Schätzung von Stammbäumen mit Verzweigungszeitpunkten aus molekularen Daten
(2009)
Ein großes Ziel der Evolutionsbiologie ist es, die Stammesgeschichte der Arten zu rekonstruieren. Historisch verwendeten Systematiker hierfür morphologische und anatomische Merkmale. Mit dem stetigen Zuwachs an verfügbaren Sequenzdaten werden heute verstärkt Methoden entwickelt und eingesetzt, welche die Rekonstruktion auf Basis von molekularen Daten ermöglichen. Im Fokus der aktuellen Forschung steht die Anwendung und Weiterentwicklung Bayesscher Methoden. Diese Methoden besitzen große Popularität, da sie in Verbindung mit Markov-Ketten-Monte-Carlo-Verfahren eingesetzt werden können, um einen Stammbaum zu vorgegebenen Spezies zu schätzen und dessen Variabilität zu bestimmen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die erweiterbare Software TreeTime entwickelt. TreeTime bietet Schnittstellen für die Einbindung von molekularen Evolutions- und Ratenänderungsmodellen und stellt neu entwickelte Methoden bereit, um Stammbäume mit Verzweigungszeitpunkten zu rekonstruieren. In TreeTime werden die molekularen Daten und die zeitlichen Informationen, wie z.B. Fossilfunde, in einem Bayes-Verfahren simultan berücksichtigt, um die Zeitpunkte der Artaufspaltungen genauer zu datieren. Für die Anwendung Bayesscher Methoden in der Rekonstruktion von Stammbäumen wird ein stochastisches Modell benötigt, das die Evolution der molekularen Sequenzen entlang den Kanten eines Stammbaums beschreibt. Der Mutationsprozess der Sequenzen wird durch ein molekulares Evolutionsmodell definiert. Die Verwendung der klassischen molekularen Evolutionsmodelle impliziert die Annahme einer konstanten Evolutionsgeschwindigkeit der Sequenzen im Stammbaum. Diese Annahme wird als Hypothese der molekularen Uhr bezeichnet und bildet die Grundlage zum Schätzen der Verzweigungszeiten des Stammbaums. Der Verzweigungszeitpunkt, an dem sich zwei Spezies im Stammbaum aufspalten, spiegelt sich in der Ähnlichkeit der zugehörigen molekularen Sequenzen. Je älter dieser Verzweigungszeitpunkt ist, desto größer ist die Anzahl der unterschiedlichen Positionen in den Sequenzen. Häufig ist jedoch die Annahme der molekularen Uhr verletzt, so dass in gewissen Teilbereichen eines Stammbaums eine erhöhte Evolutionsgeschwindigkeit nachweisbar ist. Falls die Verletzung konstanter Evolutionsgeschwindigkeiten nicht ausgeschlossen werden kann, sollten schwankende Mutationsraten in der Modellierung explizit berücksichtigt werden. Hierfür wurden verschiedene Ratenänderungsmodelle vorgeschlagen. Bisher sind nur wenige dieser Ratenänderungsmodelle in Softwarepaketen verfügbar und ihre Eigenschaften sind nicht ausreichend erforscht. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Bereitstellung von Bayesschen Modellen und Methoden zum Schätzen von Stammbäumen mit Verzweigungszeitpunkten. Die Methoden sollten auch bei unterschiedlichen Evolutionsgeschwindigkeiten im Stammbaum anwendbar sein. Vorgestellt wird ein neues Ratenänderungsmodell, eine neue Möglichkeit der Angabe von flexiblen Beschränkungen für die Topologie des Stammbaums sowie die Nutzung dieser Beschränkungen für die zeitliche Kalibrierung. Das neue Raten Änderungsmodell sowie die topologischen und zeitlichen Beschränkungen werden in einen modularen Softwareentwurf eingebettet. Durch den erweiterbaren Entwurf können bestehende und zukünftige molekulare Evolutionsmodelle und Ratenänderungsmodelle in die Software eingebunden und verwendet werden. Die vorgestellten Modelle und Methoden werden gemäß dem Softwareentwurf in das neu entwickelte Programm TreeTime aufgenommen und effzient implementiert. Zusätzlich werden bereits vorhandene Modelle programmiert und eingebunden, die nicht in anderen Softwarepaketen verfügbar sind. Des Weiteren wird eine neue Methode entwickelt und angewendet, um die Passgenauigkeit eines Modells für die Apriori-Verteilung auf der Menge der Baumtopologien zu beurteilen. Diese Methode wird zur Auswahl geeigneter Modelle benutzt, indem eine Auswertung der beobachteten Baumtopologien der Datenbank TreeBASE durchgeführt wird. Anschließend wird die Software TreeTime in einer Simulationsstudie eingesetzt, um die Eigenschaften der implementierten Ratenänderungsmodelle zu vergleichen. Die Software wird für die Rekonstruktion des Stammbaums zu 38 Spezies aus der Familie der Eidechsen (Lacertidae) verwendet. Da die zugehörigen molekularen Daten von der Hypothese der molekularen Uhr abweichen, werden unterschiedliche Ratenänderungsmodelle bei der Rekonstruktion verwendet und abschließend bewertet. ........
Die Analyse von DNA-Sequenzen steht spätestens seit der Feststellung ihrer tragenden Rolle in der Vererbung organismischer Eigenschaften im Fokus biologischer Fragestellungen. Seit Kurzem wird mit modernsten Methoden die Untersuchung von kompletten Genomen ermöglicht. Dies eröffnet den Zugang zu genomweiten Informationen gegenüber begrenzt aussagekräftigen markerbasierten Analysen. Eine Genomsequenz ist die ultimative Quelle an organismischer Information. Allerdings sind diese Informationen oft aufgrund technischer und biologischer Gründe komplex und werfen meist mehr Fragen auf, als sie beantworten.
Die Rekonstruktion einer bislang unbekannten Genomsequenz aus kurzen Sequenzen stellt eine technische Herausforderung dar, die mit grundlegenden, aber in der Realität nicht zwingend zutreffenden Annahmen verbunden ist. Außerdem können biologische Faktoren, wie Repeatgehalt oder Heterozygotie, die Fehlerrate einer Assemblierung stark beeinflussen. Die Beurteilung der Qualität einer de novo Assemblierung ist herausfordernd, aber zugleich äußerst notwendig. Anschließend ist eine strukturelle und funktionale Annotation von Genen, kodierenden Bereichen und repeats nötig, um umfangreiche biologische Fragestellungen beantworten zu können. Ein qualitativ hochwertiges und annotiertes assembly ermöglicht genomweite Analysen von Individuen und Populationen. Diese Arbeit beinhaltet die Assemblierung und Annotation des Genoms der Süßwasserschnecke Radix auricularia und eine Studie vergleichender Genomik von fünf Individuen aus verschiedenen molekularen Gruppen (MOTUs).
Mollusken beherbergen nach den Insekten die größte Artenvielfalt innerhalb der Tierstämme und besiedeln verschiedenste, teils extreme, Habitate. Trotz der großen Bedeutung für die Biodiversitätsforschung sind verhältnismäßig wenige genomische Daten öffentlich verfügbar. Zudem sind Arten der Gattung Radix auch aufgrund ihrer großen geografischen Verbreitung in diversen biologischen Disziplinen als Modellorganismen etabliert. Eine annotierte Genomsequenz ermöglicht über bereits untersuchte Felder hinaus die Forschung an grundlegenden biologischen Fragestellungen, wie z.B. die Funktionsweise von Hybridisierung und Artbildung. Durch Assemblierung und scaffolding von sechs whole genome shotgun Bibliotheken verschiedener insert sizes und einem transkriptbasiertem scaffolding konnte trotz des hohen Repeatgehalts ein vergleichsweise kontinuierliches assembly erhalten werden. Die erhebliche Differenz zwischen der Gesamtlänge der Assemblierung und der geschätzten Genomgröße konnte zum Großteil auf kollabierte repeats zurückgeführt werden.
Die strukturelle Annotation basierend auf Transkriptomen, Proteinen einer Datenbank und artspezifisch trainierten Genvorhersagemodellen resultierte in 17.338 proteinkodierenden Genen, die etwa 12,5% der geschätzten Genomgröße abdecken. Der Annotation wird u.a. aufgrund beinhaltender Kernrthologen, konservierter Proteindomänenarrangements und der Übereinstimmung mit de novo sequenzierten Peptiden eine hohe Qualität zugesprochen.
Das mapping der Sequenzen von fünf Radix MOTUs gegen die R. auricularia Assemblierung zeigte stark verringerte coverage außerhalb kodierender Bereiche der nicht-Referenz MOTUs aufgrund hoher Nukleotiddiversität. Für 16.039 Gene konnten Topologien berechnet werden und ein Test auf positive Selektion ausgeführt werden. Insgesamt konnte über alle MOTUs hinweg in 678 verschiedenen Genen positive Selektion detektiert werden, wobei jede MOTU ein nahezu einzigartiges Set positiv selektierter Gene beinhaltet. Von allen 16.039 untersuchten Genen konnten 56,4% funktional annotiert werden. Diese niedrige Rate wird vermutlich durch Mangel an genomischer Information in Mollusken verursacht. Anschließende Analysen auf Anreicherungen von Funktionen sind deshalb nur bedingt repräsentativ.
Neben den biologischen Ergebnissen wurden Methoden und Optimierungen genomischer Analysen von Nichtmodellorganismen entwickelt. Dazu zählen eigens angefertigte Skripte, um beispielsweise Transkriptomalignments zu filtern, Trainings eines Genvorhersagemodells automatisiert und parallelisiert auszuführen und Orthogruppen bestimmter Arten aus einer Orthologievorhersage zu extrahieren. Zusätzlich wurden Abläufe entwickelt, um möglichst viele vorhandene Daten in die Assemblierung und Annotation zu integrieren. Etwa wurde ein zusätzliches scaffolding mit eigens assemblierten Transkripten mehrerer MOTUs sequenziell und phylogenetisch begründet ausgeführt.
Insgesamt wird eine umfassende und qualitativ hochwertige Genomsequenz eines Süßwassermollusken präsentiert, welche eine Grundlage für zukünftige Forschungsprojekte z.B. im Bereich der Biodiversität, Populationsgenomik und molekularen Ökologie bietet. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen einen Wissenszuwachs in der Genomik von Mollusken dar, welche bisher trotz ihrer Artenvielfalt deutlich unterrepräsentiert bezüglich assemblierter und annotierter Genome auffallen.
