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Evolution und Biodiversität von neukaledonischen Diospyros
Barbara Turner
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Mary-Rosabelle Samuel
DOI
10.25365/thesis.32620
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30370.24474.788564-8
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diospyros ist eine große Gattung holziger Blütenpflanzen und zählt zur Familie Ebenaceae. Neu Kaledonien ist eine Inselgruppe in süd-westlichen Pazifik und beherbergt eine große Anzahl an unterschiedlichen Habitaten und eine charakteristische Flora. In Summe findet man 31 Diospyros-Arten in Neu Kaledonien, von denen 30 endemisch sind. Vorhergehende Studien der Gattung Diospyros, basierend auf Sequenzen von Plastidenmarkern, zeigten, dass die Neu Kaledonischen Arten drei Gruppen bilden. Zwei dieser Gruppen beinhalten nur wenige Arten (zwei bzw. fünf) und die Mehrheit der Arten (24) bildet die dritte Gruppe. Die Neu Kaledonischen Diospyros-Arten sind morphologisch unterschiedlich und bewohnen ökologisch verschiedene Habitate. Diese Arbeit konzentriert sich auf die artenreiche dritte Gruppe, die in dieser Zusammenfassung als „Gruppe 3“ bezeichnet wird.
Im unseren ersten Untersuchungen von Sequenzen von zwei Kern- und vier Plastidenmarkern zeigten sich die Arten der Gruppe 3 als sehr nahe miteinander verwandt. Diospyros vieillardii ist klar als Schwester zum Rest der Gruppe herausgekommen. Davon abgesehen formten nur bei vier Arten die jeweiligen Individuen einheitliche Gruppen. Das morphologische Artkonzept, nach welchem diese Arten beschrieben wurden, wird von AFLP-Daten unterstützt. Nichts desto trotz haben uns die AFLP-Daten nicht geholfen die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den nahe verwandten Arten aufzuklären. Analysen der molekularen Varianz (AMOVA) der AFLP-Daten, zeigten, dass der Großteil der genetischen Variation innerhalb der Arten vorkommt und nicht zwischen diesen. Aus RAD-Daten (Restriktionsstellen Assoziierte DNA; Sequenziermethode nächster Generation) abgeleitete Artabgrenzungen sind ähnlich derer von AFLP-Daten. Stammbäume basierend auf SNPs aus RAD-Daten sind wesentlich besser aufgelöst und besser unterstützt, als jene basierend auf den Sanger-Sequenzdaten der Kern- und Plastidenmarkern. Die meisten der 21 inkludierten Arten formen sowohl in den AFLP- als auch in den RAD-Analysen, monophyletische Gruppen. Die beobachteten, phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse folgen keiner ökologischen Struktur, was darauf hindeutet, dass die ökologische Vielfalt Neu Kaledoniens eine Rolle bei Artbildungsprozessen hatte. Funktionelle Annotierungen von genomische Regionen mit konstant hohen Unterschieden zwischen Schwesterarten, welche auf unterschiedlichen Substraten vorkommen (z.B. D. flavocarpa – D. umbrosa, D. labillardierei – D. trisulca), deuten auf Gene, die in Bindung und Transport von Substanzen an/durch die Zellmembran, hin. Genomgrößenmessungen zeigten um fast 3-fach höhere Genomgrößen bei Arten der Gruppe 3 im Vergleich zu anderen Diospyros-Arten. Chromosomenzählungen haben keine Anzeichen von Ploidyploidie in dieser Gruppe geliefert. Dieser Anstieg der Genomgröße veranlasste uns die wiederholten Elemente dieser Genome zu untersuchen. Gesamtgenomsequenzierungen mittels einer Sequenziermethode nächster Generation zeigten, dass die größeren Genome generell mehr wiederholte Elemente wie LTR/gypsy beinhalten, aber ohne signifikanter Anreicherung eines bestimmten Element-Typs. Bis jetzt wurden noch keine artspezifischen wiederholten Elemente identifiziert. Abgesehen von den wiederholten Elementen, konnten wir als Nebenprodukt auch ganze Plastidensequenzen aus den Daten der Gesamtgenomsequenzierung mit niedriger Abdeckung, sammeln. Diese Sequenzen konnten zu einen ganzen Plastidengenom zusammengesetzt werden. Die Plastome von Diospyros wurden mit der Plastidensequenz von Camellia sinensis verglichen. Die Plastidengenome von Diospyros und Camellia sind in ihrer Größe, strukturellen Organisation und Gen-Gehalt, sehr ähnlich. Datierungsanalysen basierend auf DNA-Sequenz- und RAD-Daten, zeigten, dass die Krongruppe 3 ca. sieben Millionen Jahre alt ist und die Gruppe mit geringer statistischer Unterstützung in den RAD-Analysen ca. vier Millionen Jahre alt ist. Diospyros sind holzige Gewächse mit einer Generationszeit von mehreren Jahren. Daher schätzen wir, dass es seit dem letzten gemeinsamen Vorfahren der zuletzt genannten Diospyros-Gruppe ca. 500.000 Generationen gegeben hat. Diese geringe Anzahl an Generationen, nach dem originalen Verbreitungsereignis über lange Distanzen, gemeinsam mit einer schnellen Radiation über die unterschiedlichen Habitate, kann das Vorhandensein der niedrigen genetischen Diversität, erklären.
Abstract
(Englisch)
Diospyros forms a large genus of woody flowering plants of the family Ebenaceae. New Caledonia is an archipelago in the south-western Pacific and harbours a great range of diverse habitats and a characteristic flora. In total there are 31 Diospyros species found in New Caledonia, of which 30 are endemic. Previous phylogenetic studies of the genus Diospyros based on sequences of plastid markers, showed the New Caledonian species to form three groups. Two of these groups contain only few species (two and, respectively, five), and the majority of species (24) forms the third group. The New Caledonian Diospyros species are morphologically diverse and occupy ecologically different habitats. This thesis focuses on the species rich third group, which is addressed as group 3 in this abstract.
In our first study, including sequences of two nuclear and four plastid markers, the species of group 3 are shown to be closely related. Diospyros vieillardii is clearly shown to be sister to the rest of this group. Apart from this, individuals of only four species formed unique groups. The morphological species concept, on which the species have been described, is supported by our AFLP results. However, with AFLP data we were not able to elucidate the phylogenetic relationships between these closely related species. Analysis of molecular variance (AMOVA) of the AFLP data set showed that most of the genetic variation occurs within the species rather than among them. Species delimitations inferred from next generation sequencing technique RAD (Restriction site associated DNA) are comparable to those obtained from AFLP data. Phylogenetic trees based on thousands of RAD-derived SNPs are much better resolved than those based on Sanger sequencing of nuclear and plastid markers. Most of the 21 included species formed monophyletic groups in AFLP and RAD analyses. The observed phylogenetic relationships do not follow an ecological structure, pointing to a role of environmental heterogeneity of New Caledonia in shaping speciation events in this group. Functional annotations of genomic regions consistently exhibiting high differentiation between pairs of sister species occurring on different substrates (e.g. D. flavocarpa – D. umbrosa, D. labillardierei – D. trisulca) pointed to genes involved in binding and transporting compounds to/through the cell membrane. Species from group 3 revealed nearly 3-fold larger genome sizes compared to Diospyros species from other groups. Chromosome counts showed no indication of polyploidy in this group. The increase in genome size in these species led us to investigate the repeated elements of these genomes. Whole genome sequencing using next generation sequencing techniques showed that the larger genomes generally contain more copies of repeated elements such as LTR/gypsy elements, without a significant enrichment for a particular element type. Up to now no species specific repeat elements have been identified. Beside the repeated elements we were able to obtain as a by-product whole plastid sequences from the low-coverage whole genome sequencing. The obtained plastomes were compared to the plastid sequence of Camellia sinensis. The plastid genomes of Diospyros and Camellia are highly similar in size, structural organization and gene content. Dating analyses based on DNA sequence and RAD data showed that the crown group 3 is around seven million years old and the group with low statistical support in the RAD based analysis to be around four million years. Diospyros are woody plants with a generation time of several years, thus we can estimate, that not more than 500,000 generations passed since the most recent common ancestor of the latter Diospyros group. The low number of generations after the original long distance dispersal event, together with the rapid radiation across different habitats can explain the presence of the low genetic divergence in this group.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Diospyros New Caledonia biodiversity molecular markers rapid radiation AFLP RAD-sequencing repeated elements
Schlagwörter
(Deutsch)
Diospyros Neu Kaledonien Biodiversität molekulare Marker schnelle Radiation AFLP RAD-Sequenzierung wiederholte Elemente
Autor*innen
Barbara Turner
Haupttitel (Englisch)
Evolution und Biodiversität von neukaledonischen Diospyros
Paralleltitel (Englisch)
Evolution and biodiversity of New Caledonian Diospyros
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
137 S. : Ill., graph. Darst., Kt.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Andrew Leitsch ,
Toby Pennington
AC Nummer
AC11647524
Utheses ID
28965
Studienkennzahl
UA | 094 | 437 | |