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Phylogeny and evolution of Orobanchaceae
Xi Li
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)
Betreuer*in
Gerald M. Schneeweiss
DOI
10.25365/thesis.46364
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20535.81905.486464-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Orobanchaceae sind eine Modellgruppe für die Untersuchung der Evolution parasitischer Blütenpflanzen. Ein Verständnis der Evolution von Heterotrophie und den Interaktionen zwischen Wirt und Parasit bedarf eines soliden phylogenetischen Rahmens, welcher trotz enormer Fortschritte in den letzten Jahren noch nicht erreicht ist.
Im ersten Kapitel dieser Dissertation werden molekular-phylogenetische Methoden an einem familienweiten Datensatz aus meheren DNA-Regionen sowie neu erhobene karyologische Daten verwendet, um die Stellung der Gattung Platypholis festzustellen. Es stellt sich dabei heraus, dass Platypholis phylogenetisch zur Gattung Orobanche i. e. S. gehört, was auch durch die Chromosomenzahl von 2n = 38 unterstütz wird.
Im zweiten Kapitel werden fünf nukleäre low-copy-Gene (LCN-Gene), einschließlich zweier Pentatricopeptid-Repeat (PPR) Gene, an einem familienweiten Datensatz verwendet, um bisherige Hypothesen bezüglich verwandtschaftlicher Beziehungen der Hauptgruppen innerhalb der Orobanchaceae zu testen. Wir können die gute Eignung von PPR-Genen auf unterschiedlichen phylogenetischen Ebenen bestätigen, während andere LCN-Gene unzureichend sind. Trotz erhöhter Datenmenge in Hinblick auf analysierte Marker bleiben größere Diskordanzen zwischen den Markern und zu Ertgebnissen vorheriger Studien bestehen.
Nachdem die Verwendung einer Handvoll Marker scheinbar nicht ausreicht, um die phylogenetischen Beziehungen mit ausreichender Sicherheit zu ermitteln, wird ein phylogenomischer Ansatz, der target enrichment (d.h., die Anreicherung spezifischer Regionen) mit neuesten Sequenziermethoden (next-generation sequencing, NGS) kombiniert, erforderlich sein. Im dritten Kapitel entwickeln wir eine effiziente und flexible Computer-Pipeline, mit deren Hilfe orthologe single-copy-Gene (SCG) bei den Orobanchaceae gefunden werden können. Wir verwenden Transkriptomdaten von vier Arten aus den Orobanchaceae sowie, als Referenz, von Gaulklerblume (Mimulus guttatus) und Tomate (Solanum lycopersicum). Abhängig von den Einstellungen identifiziert unsere Pipeline 1307 bzw. 981 SCGs, die in 38156 bzw. 21856 Probensequenzen (kurze DNA-Fragemnet mit einer Länge von 120 Basenpaaren, die zur Anreicherung via DNA-Hybridisierung verwendet werden) resultieren. Damit erreicht unsere Pipeline im Vergleich zu einer kürzlich publizierten (MarkerMiner) eine um etwa das 1,6-fach höhere Ausbeute an SCGs.
Abstract
(Englisch)
Orobanchaceae is a model group for studying the evolution of parasitic flowering plants, because it contains the whole range of nutritional modes from autotrophic non-parasites via photosynthetic parasites to non-photosynthetic parasites. The globally distributed family contains ca. 2060 sepcies in 90 genera, some of which contain pest species causing major yield losses and sinister damages on different crops. Investigating the path to heterotrophic dependence, shifts in host range, and interactions between host and parasite requires a well-supported phylogenetic framework.
Molecular phylogenetic studies have greatly improved our understanding of phylogenetic relationships in Orobanchaceae, but 1/3 of genera have remained unstudied. One of those is the East Asian genus Platypholis. Based on overall morphological similarity, Platypholis has been merged with Orobanche, a hypothesis tested with molecular data in the first chapter of this thesis. Employing maximum likelihood and Bayesian analyses on a family-wide data set (two plastid markers, matK and rps2, and three nuclear markers, ITS, phyA and phyB) as well as on an ITS data set focusing on Orobanche s. str., it is shown that P. boninsimae is phylogenetically nested within Orobanche s. str. This is supported by the newly obtained chromosome number of 2n = 38 and is congruent with previous morphological evidence.
Although in phylogenetic analysis of ca. 2/3 of the genera in Orobanchaceae six major clades have been identified, the relationships among some major clades are still ill-defined. Consequently, more molecular markers are needed to alleviate these issues, which is the focus of the second chapter of this thesis. Here, five nuclear markers (three low-copy nuclear (LCN) genes and two pentatricopeptide repeat (PPR) genes) are sequenced and analysed using maximum likelihood and Bayesian analysis on a family-wide data set. Compared to previous studies, we additionally included Macrosyringion, Nothobartsia, Odontitella, Phtheirospermum (except Phtheirospermum japonicum), Pterygiella, Remannia and Triaenophora. The PPR genes used in our study performed well, supporting their utility for studying phylogenies of non-model and parasitic plant groups at intergeneric and interspecific levels, while the used LCN markers are less suitable. Our results strongly suggest that Pterygiella and Phtheirospermum form a separate clade distinct from the previously recognized major clades. Despite the increased amount of data, we detected several major discordances to previous studies (e.g., concerning the relationships of the Euphrasia-Rhinanthus clade, the Castilleja-Pedicularis clade and the Striga-Alectra clade).
Evidently, two hand-full of loci may still not be sufficient to establish phylogenetic relationships, calling for alternative approaches. The combination of target enrichment with next-generation sequencing (NGS) strategies has the potential to yield a large number of LCN loci and is becoming increasingly popular in phylogenomics. In the third chapter, we establish a highly efficient bioinformatic pipeline to discover putative orthologous single-copy genes (SCGs) for the plant family Orobanchaceae. We used transcriptome data of differing quality available for four Orobanchaceae species and, as reference, SCG data from monkeyflower (1,915 genes) and tomato (391 genes). Depending on whether gaps were permitted in initial BLAST searches of the four Orobanchaceae species against the reference, our pipeline identified 1,307 and 981 SCGs respectively, of length of at least 780 bp. Automated bait sequence construction (using 2× tiling) resulted in 38,156 and 21,856 bait sequences, respectively. In comparison to the recently published MarkerMiner 1.0 pipeline ours identified about 1.6 times as many SCGs (of at least 900 bp length).
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
phylogeny evolution Orobanchaceae parasitic plants
Schlagwörter
(Deutsch)
Phylogenie Evolution Orobanchaceae parasitische Pflanzen
Autor*innen
Xi Li
Haupttitel (Englisch)
Phylogeny and evolution of Orobanchaceae
Paralleltitel (Deutsch)
Phylogenie und Evolution der Orobanchaceae
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
105 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Christopher Randle ,
Ting Wang
AC Nummer
AC13693568
Utheses ID
41028
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |