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Population genomics of speciation in two recently diverged Chinese Populus species
Francesca Beclin
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Ecology and Ecosystems
Betreuer*in
Thibault Leroy
DOI
10.25365/thesis.69971
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11146.27528.154421-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Speziation (Artbildung), der kontinuierliche evolutionäre Prozess, welcher zur Entstehung neuer distinkter Arten führt, basiert auf der Akkumulierung von reproduktiver Isolation zwischen zwei Abstammungslinien, bis diese vollkommen reproduktiv voneinander isoliert sind. Im Laufe dieser langwierigen Auseinanderentwicklung entstehen an bestimmten Stellen im Genom Barrieren, die den Genfluss zwischen den beiden Arten verhindern. Dies kann entweder durch die Etablierung von differentiellen Anpassungen der beiden entstehenden Arten an ihren jeweiligen Lebensraum bedingt sein, oder aber durch die Fixierung von einigen intrinsischen genetischen Inkompatibilitäten zwischen den Arten. Um den Prozess der Speziation besser zu verstehen und diese beiden Formen von Genfluss-Barrieren in Genomen zu identifizieren, können nur halb-isolierte Populationen oder Arten als Untersuchungsobjekte herangezogen werden, welche noch immer Gene an neutralen Stellen im Genom austauschen.
Im Rahmen dieser Arbeit habe ich diesen Prozess im Detail anhand der zwei Arten Populus davidiana und Populus rotundifolia untersucht, welche erst vor evolutionär kurzer Zeit (vor etwa 1,3 Millionen Jahren) begonnen haben sich auseinanderzuentwickeln. Diese zwei Arten besetzen unterschiedliche ökologische Nischen in Asien (P. davidiana ist im Tiefland im Zentrum und Nordosten Chinas weit verbreitet, während P. rotundifolia ein kleineres Verbreitungsgebiet in größeren Höhenlagen im Himalaya und angrenzenden Gebieten hat). Die Verbreitungsgebiete überlappen in Südostchina. Diese Arbeit hat zwei Hauptziele: ersteres ist, die demographische Geschichte dieser beiden divergierenden Arten zu inferieren, mit besonderem Augenmerk auf den Genfluss zwischen ihnen, und das zweite Ziel ist es, spezifische Regionen im Genom zu identifizieren, welche zu reproduktiver Isolation zwischen den beiden Arten beitragen, und welche daher möglicherweise im Zusammenhang mit den unterschiedlichen ökologischen Präferenzen oder mit anderen intrinsischen Inkompatibilitäten der beiden Arten stehen.
Demografische Inferenzen wurden mithilfe der Software DILS („Demographic Inferences with Linked Selection“) durchgeführt, einer ABC-basierten Software, welche Simulationen ausführt, um das wahrscheinlichste demographische Szenario zu ermitteln. Die durchgeführten demografischen Analysen unterstützen aktuell erfolgenden Genfluss zwischen den beiden Arten, und eine heterogene Migrationsrate entlang des Genoms, was auf ein Mosaik zwischen Regionen hindeutet, die Gene zwischen den beiden Arten austauschen, und Regionen, in welchen aufgrund von reproduktiven Barrieren kein Genfluss erfolgt.Po
Dann wurden Genomscans für erhöhte relative (FST) und absolute Differenzierung (πBetween) zwischen den beiden Arten durchgeführt, um Regionen zu identifizieren, die sich stark zwischen den beiden Arten unterscheiden. Es wurde untersucht, ob diese Regionen Gene enthalten, welche zu reproduktiver Isolation beitragen könnten. Eine manuelle Literaturrecherche wurde durchgeführt, um die potentielle Funktion dieser Gene zu ermitteln. Unter einer kurzen Liste von 12 identifizierten Genen, waren zwei bereits charakterisierte Gene: rhd3, welches als essentiell für die Ausbildung von Wurzelhaaren beschrieben wurde, und wrk3, welches an der Verteidigung von Pflanzen gegen Herbivorie beteiligt ist.
Abstract
(Englisch)
Speciation, the continuous evolutionary process leading to the formation of new distinct species, depends on the accumulation of reproductive isolation between two lineages, until they become completely reproductively isolated. During this long process of divergence, specific reproductive barrier loci to gene flow emerge and amass within the genome. This can be due to the establishment of differential adaptations (ecological barriers) between the incipient species, but also due to the fixation of some more intrinsic genetic incompatibilities (non-ecological barriers). To better understand speciation and identify both kinds of barriers to gene flow in genomes, only semi-isolated populations or species, that are still exchanging genes at neutral loci, can be studied.
In this thesis, I studied this process in detail for the two recently diverged (1.3 Mya) species Populus davidiana and P. rotundifolia. They occupy different ecological niches in Asia (P. davidiana is widely distributed in the lowland in central and northeastern China, while P. rotundifolia has a narrower range at higher altitudes in the Himalaya and adjacent areas), but their ranges overlap in southwestern China. This thesis has two major objectives: the first is to infer the past demographic history of these two diverging species, in particular regarding gene flow between them, and the second is to identify specific regions in the genome contributing to reproductive isolation between these two species, which could therefore potentially be linked to these different ecological preferences or to some other intrinsic incompatibilities.
Demographic inferences were performed, using the software DILS (Demographic Inferences with Linked Selection), an ABC-based software which performs simulations to infer the most likely demographic scenario. The demographic analyses supported ongoing migration between the two species, and a heterogeneous migration rate along the genome, suggesting a mosaic between regions exchanging genes between the two species and regions without gene flow due to reproductive barriers.
Then, genome scanning for elevated relative (FST) and absolute divergence levels (πBetween), were performed to identify regions that are strongly differentiated between the two species. We then investigated if these regions might contain genes contributing to reproductive isolation. Manual literature searches were performed to recover the potential function of these genes. Among a short list of 12 genes, two already characterized genes were identified, including rhd3, which was described as essential to the formation of root hairs and wrk3, which is involved in plant defense to herbivory.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
speciation population genomics demographic inferences differentiation gene flow migration linked selection
Schlagwörter
(Deutsch)
Artbildung Populationsgenomik Demografische Inferenzen Differenzierung Genfluss Migration
Autor*innen
Francesca Beclin
Haupttitel (Englisch)
Population genomics of speciation in two recently diverged Chinese Populus species
Paralleltitel (Deutsch)
Populationsgenomik der Artbildung in zwei sich sein kurzem auseinanderentwickelnden chinesischen Populus Arten
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
40 Seiten : Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thibault Leroy
AC Nummer
AC16323264
Utheses ID
59699
Studienkennzahl
UA | 066 | 833 | |