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Genomics of the speciation continuum in Eurasian Populus species

Huiying Shang

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Biologie)

Betreuer*in

Ovidiu Paun

Mitbetreuer*in

Thibault Leroy

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DOI

10.25365/thesis.69734

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11117.46072.999668-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Artbildung ist ein dynamischer Prozess, bei dem mehrere evolutionäre Faktoren wie natürliche Selektion, genetischer Drift, Genfluss und Mutation zur genomweiten Differenzierung beitragen. Ein genaues Verständnis des Speziationsmechanismus ist essentiell, da die Speziation ein entscheidender Prozess ist, der die Artenvielfalt erzeugt. Es ist jedoch immer noch eine große Herausforderung zu bestimmen, welche evolutionären Faktoren eine relativ wichtige Rolle bei der Speziation spielen. In dieser Arbeit habe ich qualitativ hochwertige Ganzgenom- Resequenzierungsdaten verwendet, um die Entwicklung der reproduktiven Isolation bei mehreren Populus-Artenpaaren von der frühen bis zur späten Phase der Divergenz zu untersuchen und die Rolle von Hintergrundselektion, positiver Selektion, ausgleichender Selektion und Genfluss bei der Gestaltung der genomischen Muster der Differenzierung auf Populationsgenom-Ebene über das Speziationskontinuum hinweg zu diskutieren. Das erste Kapitel gibt einen Überblick über (1) die phylogenomischen Beziehungen verschiedener Populus-Arten in ganz Eurasien; (2) genomweite phylogenetische Baumtopologien und deren Korrelation mit der Rekombinationsrate; (3) wie die genomische Architektur der reproduktiven Isolation und das Ausmaß des introgressiven Genflusses über die Stadien der Speziation variieren. Unsere Literaturrecherche ergab eine Variation in der Komplexität der Barrieren und eine negative Korrelation zwischen der Anzahl der Barrieren und dem Ausmaß des Genflusses. Eine genomweite Topologie-Analyse der Populus-Arten weist auf die komplexe genomische Architektur der reproduktiven Isolation hin. Im zweiten Kapitel werfen wir unter Verwendung populationsgenomischer Daten einen Blick auf feinskalige Muster genomischer Diversität und Divergenz über das gesamte Genom und diskutierten die evolutionären Faktoren bei der Gestaltung der heterogenen Landschaft der Differenzierung und wie sich die genomischen Muster entlang des Speziationskontinuums akkumulieren. Analysen der Populationsstruktur und der Identität durch Abstammung zeigen eine starke interspezifische Struktur, aber auch umfangreiche Introgression zwischen einigen Artenpaaren, insbesondere solchen mit parapatrischer Verbreitung. Vergleiche, die aus den Landschaften der genetischen Diversität und der Rekombinationsrate für jede der Arten gezogen wurden, oder aus der Verteilung der relativen und absoluten Divergenzniveaus für mehrere Artenpaare, die entlang des Speziationskontinuums verteilt waren, zeigen signifikant konservierte Muster. Über das gesamte Kontinuum der Divergenz konnten wir feststellen, dass die Korrelationen zwischen Nukleotiddiversität und Divergenzlandschaften mit zunehmendem Divergenzniveau (da) schwächer werden. Hinsichtlich der Rekombinationslandschaft wurde die Korrelation mit Fst entlang des Divergenzkontinuums nicht stärker, was auf eine wichtige Rolle der Selektion bei der Erzeugung der heterogenen Divergenzlandschaft hindeutet, jedoch ohne Verstärkung während des Prozesses der Speziation. Schließlich weisen die negativen Korrelationen zwischen Introgression (fd) und Fst bei den Artenpaaren P. tremuloides - P. grandidentata und P. tremula - P. alba auf die Rolle des Genflusses bei der Gestaltung der genomischen Landschaft der Divergenz hin. Insgesamt wurden in dieser Dissertation phylogenomische und populationsgenomische Werkzeuge kombiniert, um die Evolution von Barrieren der reproduktiven Isolation bei acht eng verwandten Populus-Arten zu diskutieren und die Muster der genomischen Diversität und Differenzierung bei mehreren Artenpaaren über das Speziationskontinuum hinweg zu analysieren. Die landschaftsgenomische Analyse bestätigt, dass die reduzierte Rekombination der Hauptfaktor sein kann, der die heterogene Divergenz in Populus erleichtert.

Abstract

(Englisch)

The study of the mechanisms contributing to the formation of new and distinct species (i.e., speciation) is crucial to understanding the origin of biodiversity. Speciation is a dynamic and continuous process, during which multiple evolutionary forces can be at play, modulating the accumulation of genome-wide divergence and allowing the progressive establishment of reproductive isolation. However, it is still a great challenge to determine which evolutionary factors trigger speciation and the heterogeneous patterns of genomic divergence. This dissertation combines phylogenomics and population genomics tools to investigate the evolution of reproductive isolation among multiple Populus species pairs from the early to the late stages of speciation. Starting from these results, I discussed the role of background selection, positive selection, balancing selection and gene flow in shaping genomic patterns of differentiation across the speciation continuum. Based on new empirical data and a literature review, the first chapter gives an overview of (1) the phylogenomic relationships of several Eurasian Populus species; (2) the genome-wide heterogeneity in phylogenetic tree topologies and its correlation with recombination rate; and (3) how the genomic architecture of reproductive isolation and the levels of introgressive gene flow vary across the stages of speciation. Our literature survey revealed a variation in reproductive barrier complexity, and a negative correlation between barrier number and intensity of gene flow. Genome-wide topology analysis in Populus points to a complex genomic architecture of reproductive isolation. In the second chapter, we investigated the fine-scale patterns of genomic diversity and divergence in Populus, and discussed the evolutionary factors shaping the heterogeneous landscape of differentiation across the speciation continuum. We uncover a strong interspecific structure, but also extensive introgression between sympatric or parapatric species pairs. Over the whole continuum of divergence, we recovered a negative correlation between nucleotide diversity and relative divergence across all species pairs, which is consistent with expectations under linked selection. However, the positive correlations between nucleotide diversity and absolute divergence became weaker as the overall divergence level (da) increased, suggesting that other forces apart from background selection are also at play. Indeed, the negative correlations between introgression (fd) and FST in some species pairs indicates the contribution of gene flow in shaping genomic landscapes of differentiation. Besides, strong signals of positive or balancing selection have been found along the genome. In spite of this, our landscape 2 genomics analyses confirmed reduced recombination and linked selection as major factors facilitating the heterogeneous genomic divergence in Populus. Overall, the study on several Populus species across speciation continuum provides general insights about the formation of the heterogeneous landscape of differentiation.

Autor*innen

Huiying Shang

Haupttitel (Englisch)

Genomics of the speciation continuum in Eurasian Populus species

Paralleltitel (Deutsch)

Genomik des Speziationskontinuums bei eurasischen Populus-Arten

Publikationsjahr

2021

Umfangsangabe

113 Seiten : Diagramme, Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Alex Widmer ,

Joachim Hermisson

Klassifikation

42 Biologie > 42.21 Evolution

AC Nummer

AC16223816

Utheses ID

59319

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 437 |

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