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Genomic interactions and their eco-physiological implications for the evolution of allopolyploid marsh orchids

Thomas Wolfe

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

Ovidiu Paun

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DOI

10.25365/thesis.58381

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-16857.15820.402452-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Repetitive polytopische Allopolyploidisierung kommt in mehreren Organismen vor und bildet eine der wichtigsten Ursachen für die sogenannte „retikulate Evolution“ der Blütenpflanzen, wobei die Vermehrung zweier unterschiedlicher Elternarten bzw. -genomen zur Entstehung einer neuen Art führt (z.B. Tragopogon 20-fache, Draba norvegica 13-fache, Galax urceola mindestens 46-fache Allopolyploidisierung). Es wird geschätzt, dass bis zu 15% aller Artbildungsereignisse der Bedecktsamer im engen Zusammenhang mit Polyploidisierung stehen. Dies schließt die Autopolyploidisierung mit ein, die durch eine Vervielfachung des Chromosomensatzes einer Elternart entsteht. Obwohl über die Langzeitwirkung der Polyploidisierung auf Evolutionsprozesse noch nicht viel bekannt ist, wurde nahegelegt, dass diese extreme sympatrische Artbildung eine wichtige Variationsquelle und damit ein hohes Potenzial für Diversifizierung bietet, solange die neu entstandenen Arten den initialen genomischen und transkriptomischen Schock überstehen. In der Tat ist die Neopolyploidie mit einer Reihe genomischer Modifikationen verbunden, wie beispielsweise der Chromosomumlagerung innerhalb eines elterlichen oder beider elterlicher Subgenomen, dem rapiden und reproduzierbaren Verlust von „Low-Copy-DNA“, den organspezifischen epigenetischen Effekten auf die Expression homologer Gene sowie der Demethylierung und darauffolgenden Aktivierung der Transposonen. Diese multiplen Änderungen haben wiederum direkte und möglicherweise kladenspezifische Auswirkungen auf den Phänotyp, auf den die natürliche Selektion wirkt. Ein Verlust der Selbstunverträglichkeit infolge wiederholt auftretender Polyploidisierung wird bei den meisten allopolyploiden Pflanzen inzwischen als Regel anerkannt. Diese Prozesse begünstigen die Etablierung neuer Brutstätten und erhöhen die Hybridisierungswahrscheinlichkeit, möglicherweise sogar indem sie zur Bildung hybrider Populationen führen. Neu gebildete Arten müssen als nächstes auftretende meiotische Anomalien bewältigen, die von der regulatorischen Inkompatibilität zwischen den beiden elterlichen Subgenomen und durch die Etablierung der Eltern in ihren jeweiligen Lebensräumen verursacht werden. Sowohl bei Kultur- als auch natürlichen Pflanzenarten zeigen Polyploiden interessante Wachstums- und morphologische Eigenschaften, die eine direkte Wirkung auf komplexe ökologische Interaktionen, insbesondere zwischen verschiedenen trophischen Ebenen, ausüben könnten. Als Beispiel für eine solche morphologische Änderung ist der sogenannten „Giga-Effekt“ zu nennen, womit man die Bildung größerer Organe bei den Polyploiden im Vergleich zu ihren diploiden Vorfahren bezeichnet. Die ökologischen Folgen wiederkehrender Polyploidisierung in Bezug auf die Auswahl neuer ökologischen Nischen besser zu verstehen, würde uns dabei helfen, die Mechanismen hinter der Gründung und Erhaltung neuer polyploiden Arten und ihre Auswirkung auf die Biodiversität zu entziffern. Um mehr Licht auf diese Mechanismen zu werfen, benötigte man natürliche Populationen polyploider Arten, die unterschiedliche Entstehungsalter aufweisen. Diese Arbeit nimmt sich zum Ziel, die hintergründigen Prozesse der polyploiden Evolution eines natürlichen Orchideen Artenkomplex, Dactylorhiza, zu erleuchten. Dazu wurden drei verschiedene prozessuale Stufen untersucht: die ökologische, physiologische und molekulare. Die erste Stufe beschäftigt sich damit, wo und wann Arten vorkommen und sich vermehren, die zweite mit den Funktionen und Abläufen in einem Organismus und die dritte bildet das Gebiet der molekularen Evolution. Obwohl die drei Stufen zeitlich und räumlich getrennt sind, stehen sie miteinander in enger Verbindung. Das erste Kapitel setzt sich mit verschieden Aspekten der wiederholten Hybridisierung zweier diploiden Elternarten und des daraus resultierenden polyploiden Artenkomplexes auseinander. Es wird gezeigt, dass die diploiden Arten bei allen drei Stufen stark differenziert sind. Der zweite Teil der Studie (Kapitel II) untersucht die ökologische, physiologische und molekulare Spezialisierung zweier polyploiden Schwesterarten innerhalb dieses Komplexes. Das dritte Kapitel fokussiert im Detail die molekularen Prozesse, die zur Gestaltung polyploider Subgenome beitragen und deren Konsequenzen für die Evolution polyploider Arten.

Abstract

(Englisch)

Polytopic recurrent allopolyploidization have been recorded in many taxa and have been a central force behind the reticulated evolution of angiosperms as they bring two or more diverged parental genomes together to form new species (Tragopogon ∼ 20 times, Draba norvegica 13 times, Galax urceola at least 46 times). Estimates indicate that up to 15% of all angiosperm speciation events are associated with polyploidy including autoploidy where polyploids form from the same set of parental chromosomes. Although much is still to be uncovered about the possible long-term evolutionary outcomes of polyploidy, it has been suggested that these extreme sympatric speciation events are important sources of variation associated with higher diversification when species survive the initial genomic and transcriptomic shock. Indeed, neopolyploidy is associated with an array of reported genomic modifications such as chromosomal rearrangement within one or both parental subgenomes; rapid and reproducible loss of low-copy DNA; organ-specific epigenetic effects on the expression of homoeologous genes as well as demethylation and activation of silenced transposable elements. These multiple changes will, in turn, have direct and possibly clade specific phenotypic effects upon which natural selection can act. We now recognize that recurrence of polyploidization and loss of self-incompatibility are the rule in most allopolyploid plant complexes. These intuitively favor the establishment of new breeding populations and increase the probability of hybridization, possibly even producing hybrid swarms. Newly formed species have to overcome meiotic abnormalities due to regulatory incompatibilities between the two parental subgenomes, out-compete the established parents in their respective habitats, or move to a different niche. Many lines of evidence show that in cultivated crops and various natural systems, polyploids show compelling growth and morphological characteristics that could directly impact complex ecological interactions in particular between different trophic levels. One such morphological consequence is the Giga effect where polyploids tend to have larger organs than their diploid progenitors. Therefore, understanding the eco-physiological results of recurrent polyploidization is of critical importance to uncover the mechanisms behind the establishment, the maintenance and the effects on biodiversity of recurrent polyploid formation. We need studies of natural polyploid populations with a broad range of ages to address these questions. The present thesis is an attempt to characterize the processes behind polyploid evolution in a wild orchid complex, Dactylorhiza. We investigated these processes at three different levels: the ecological, the physiological, and molecular levels. The first level characterizes the conditions that determine where and when a species can grow and reproduce, the second level deals with the function of organisms, and the third level is the domain of molecular evolution. Despite differences in time and spatial scales between these three levels, it is also clear that they are interconnected. Chapter I tackles aspects concerning two diploid parent species that repeatedly polyploidized to form a diverse polyploid complex. As we shall see, these diploid species are well differentiated at all three levels mentioned above. The second study (chapter II) deals with the characterization of the ecological, the physiological, and the molecular differentiation of two sibling polyploid orchids. The third study (chapter III) focuses more in-depth on the molecular level of both polyploids where we will characterize the processes shaping polyploid subgenomes and the way these reflect on polyploid evolution.

Autor*innen

Thomas Wolfe

Haupttitel (Englisch)

Genomic interactions and their eco-physiological implications for the evolution of allopolyploid marsh orchids

Publikationsjahr

2019

Umfangsangabe

144 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Simen R. Sandve ,

Jonathan F. Wendel

Klassifikation

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges

AC Nummer

AC15470009

Utheses ID

51560

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 437 |

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