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Phylogenetic relationships and the evolutionary history of Tillandsia, a species-rich genus of Bromeliaceae
Gil Yardeni
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
DOI
10.25365/thesis.72109
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21236.01599.824947-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Understanding the drivers and constraints of species formation is at the heart of evolutionary research. The processes that give rise to new species often involve colonization of novel ecological niches and the evolution of novel traits, achieved through an intricate interplay of environment, phenotype and genotype. Modern high-throughput sequencing enables to resolve phylogenomic relationships and to investigate the genomic footprints of evolutionary history. However, research on these topics in recent rapid radiations poses unique challenges: a brief diversification period in adjacent habitats increases the probability of incomplete lineage sorting and introgression among closely related taxa, confounding phylogenetic signal and complicating phylogenomic inference. This thesis focuses on the evolutionary history of the highly diverse and rapidly radiating genus Tillandsia (family Bromeliaceae). This genus is the largest and most diverse within the family and presents a variety of ecological adaptations to various habitats, mostly epiphytic and saxicolous. The first main chapter reports the design and efficacy of a target capture bait set specific for Bromeliaceae, devised to address evolutionary questions at both micro- and macro-evolutionary scales. The set targets 1,776 single- and multi-copy genes, including some putatively associated with key innovation traits. Using a wide sampling of members across the family with a particular focus on Tillandsia, the taxon-specific bait set was compared to a universal bait set, the Angiosperms353 kit. The comparison considered the kits’ performance for both phylogenomics and population genetics, with the expectation that the taxon-specific kit will obtain higher information content and provide increased utility in rapidly radiating clades, compared with the universal kit. Despite retrieving higher information content in the taxon-specific kit, we found that the universal kit performed comparatively well for phylogenomics inference. However, the taxon-specific kit is preferable for detailed investigations, such as estimation of gene tree incongruence and population genomics analyses. The second main chapter explores phylogenomic relationships among 32 species in the clade Tillandsia, focusing on rapidly-radiating central-American taxa from subgenus Tillandsia. Using whole-genome resequencing data, we inferred relationships among species and explored the evolutionary history of the clade using tree-based and network-based approaches. We found a lack of monophyly and deviations from a tree-like structure, coupled with rampant gene tree discordance. In contrast to classical hypotheses, the uncovered pervasive hybridization along the phylogeny suggests that the expansion of the subgenus from South into Central America proceeded in several migration waves, followed by episodes of diversification and gene flow. Focusing on hybridization, Patterson's D (ABBA-BABA) and related statistics were used to describe the rates and timing of introgression events. Finally, we discussed the possible contribution of interspecific gene flow to adaptive trait shifts. In summary, the thesis generates novel insights into the evolutionary processes that contribute to a Neotropical rapid radiation and offers future prospects for research in Bromeliaceae at large and specifically in Tillandsia.
Abstract
(Englisch)
Das Verständnis der Triebkräfte und Zwänge der Artenbildung steht im Mittelpunkt der Evolutionsforschung. Die Prozesse, die zur Entstehung neuer Arten führen, beinhalten oft die Besiedlung neuartiger ökologischer Nischen und das Auftreten neuartiger Merkmale, die durch ein kompliziertes Zusammenspiel von Umwelt, Phänotyp und Genotyp erreicht werden. Die moderne Hochdurchsatzsequenzierung (HTS) ermöglicht es, phylogenomische Beziehungen zu klären und den genomischen Fußabdruck der Evolutionsgeschichte zu untersuchen. Die Erforschung dieser Themen bei den jüngsten schnellen Ausbreitungen stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar: Eine kurze Diversifizierungsphase erhöht die Wahrscheinlichkeit einer unvollständigen Sortierung der Abstammungslinien und der Introgression zwischen eng verwandten Taxa und verwirrt gleichzeitig die phylogenomischen Signale, was die Schlussfolgerungen erschwert. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Evolutionsgeschichte der äußerst vielfältigen und sich schnell ausbreitenden Gattung Tillandsia (Familie Bromeliaceae). Diese Gattung ist die größte und vielfältigste innerhalb der Familie und weist eine Vielzahl ökologischer Anpassungen an verschiedene Lebensräume auf, die meist epiphytisch und felsbewohnend sind. Das erste Hauptkapitel beschreibt das Design und die Wirksamkeit eines Target-Capture-Bait-Sets für Bromeliaceae, das speziell entwickelt wurde, um evolutionäre Fragen sowohl auf mikro- als auch auf makro-evolutionärer Ebene zu beantworten. Das Set zielt auf 1.776 Single-Copy- und Multi-Copy-Gene in allen Bromeliaceae ab, darunter auch Gene, die vermutlich mit wichtigen innovativen Merkmalen in Verbindung stehen. Anhand einer breiten Stichprobe von Mitgliedern der Familie mit Schwerpunkt auf Tillandsia wurde das taxonspezifische Bait-Set mit einem universellen Bait-Set, dem Angiosperms353-Kit, verglichen. Bei dem Vergleich wurde die Leistung der Kits sowohl für die Phylogenomik als auch für die Populationsgenetik berücksichtigt, wobei die Erwartung bestand, dass das taxonspezifische Kit im Vergleich zum universellen Kit einen höheren Informationsgehalt und einen größeren Nutzen vor allem für die Forschung auf Populationsebene in sich schnell ausbreitenden Kladen bieten würde. Trotz des höheren Informationsgehalts des taxonspezifischen Kits zeigte das universelle Kit eine vergleichsweise gute Leistung bei phylogenomischen Schlussfolgerungen. Für detaillierte Untersuchungen, wie z. B. die Abschätzung der Genbauminkongruenz und populationsgenomische Analysen, ist das taxonspezifische Kit jedoch vorzuziehen. Im zweiten Hauptkapitel werden die phylogenomischen Beziehungen zwischen 32 Arten der Gattung Tillandsia untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der mittelamerikanischen Untergattung Tillandsia liegt. Unter Verwendung von Ganzgenom-Resequenzierungsdaten haben wir die Beziehungen zwischen den Arten abgeleitet und die Evolutionsgeschichte der Gattung mit Hilfe eines baumbasierten Ansatzes untersucht. Wir stellten fest, dass es keine Monophylie und keine baumähnliche Struktur gibt, und dass der Genbaum sehr uneinheitlich ist. Im Gegensatz zu klassischen Hypothesen deutet die aufgedeckte weit verbreitete Hybridisierung entlang der Phylogenie darauf hin, dass die Ausbreitung der Untergattung nach Mittelamerika in mehreren Migrationswellen erfolgte, gefolgt von Episoden der Diversifizierung und des Genflusses. Mit Blick auf die Hybridisierung wurden Pattersons D (ABBA-BABA), verwandte Statistiken und ein modellbasiertes phylogenetisches Netzwerk verwendet, um die Raten und den Zeitpunkt von Introgressionsereignissen zu beschreiben. Schließlich wurde der mögliche Beitrag des intraspezifischen Genflusses zu adaptiven Merkmalsverschiebungen diskutiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neue Erkenntnisse über die evolutionären Prozesse liefert, die zu einer raschen neotropischen Radiation beitragen, und Zukunftsperspektiven für die Forschung an Bromeliaceae im Allgemeinen und an Tillandsia im Besonderen bietet.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Evolution Bromeliaceae Tillandsia Phylogenomik Genetik Neotropis
Schlagwörter
(Englisch)
Evolution Bromeliaceae Tillandsia Phylogenomics Genetics Neotropical diversity
Autor*innen
Gil Yardeni
Haupttitel (Englisch)
Phylogenetic relationships and the evolutionary history of Tillandsia, a species-rich genus of Bromeliaceae
Paralleltitel (Deutsch)
Phylogenetische Beziehungen und Evolutionsgeschichte von Tillandsia, einer artenreichen Gattung der Bromeliaceae
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
256 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Norman Wickett ,
Clarisse Palma da Silva
AC Nummer
AC16600618
Utheses ID
63701
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |