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Molecular sources of variation and their role in the adaptive radiation of Tillandsia, Bromeliaceae

Clara Adriana Groot Crego

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswiss.): Biologie

Betreuer*in

Ovidiu Paun

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DOI

10.25365/thesis.76110

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29096.55122.288316-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Obwohl sie die Grundlage für einen Großteil der biologischen Vielfalt auf der Erde bilden, verblüffen evolutionäre Radiationen Evolutionsbiologen nach wie vor, da klassische Modelle der Artbildung die schnellen und häufigen Ausbrüche der Diversifizierung, die sie kennzeichnen, nicht erklären können. Während neue ökologische Gelegenheiten als ein wesentlicher Treiber für „adaptive“ Radiationen angesehen werden, sind die intrinsischen Triebkräfte, die neue genetische Variationen hervorbringen, welche die Linien benötigen um sich in diesen ökologischen Nischen zu diversifizieren, immer noch schlecht verstanden. Die Untergattung Tillandsia (Bromeliaceae) stellt ein beispielhaftes Studiensystem für adaptive Radiationen dar, da sie eine enorme phänotypische Variation und zahlreiche innovative Schlüsselmerkmale aufweist, wie deutlich unterschiedliche photosynthetische Modi, Bestäubungssyndrome und Wachstumsgewohnheiten. Es wird angenommen, dass die Untergattung vor sechs Millionen Jahren in den Anden entstanden ist und sich nach ihrer Ausbreitung in Mittel- und Nordamerika zu einer ökologisch vielfältigen Gruppe von etwa 350 Arten diversifiziert hat. In dieser Dissertation untersuchte ich die Rolle der Genomevolution und der Introgression als treibende Kräfte für die Entwicklung wichtiger innovativer Merkmale in der Untergattung Tillandsia, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM). Im ersten Kapitel berichte ich über vergleichende Genomanalysen an zwei Tillandsia Arten, die unterschiedliche photosynthetische Phänotypen aufweisen, die zeigen, dass CAM-bezogene Genfamilien ein erhöhtes Maß an Genfamilienexpansion aufweisen. Analysen des Karyotyps, der Syntenie und des repetitiven Inhalts dieser Genome deuten ebenfalls auf ein erhebliches Maß an Genomevolution hin, einschließlich Veränderungen des Karyotyps zwischen den Arten innerhalb einer kurzen Divergenzzeit. Im zweiten Kapitel befasste ich mich eingehender mit der transkriptomischen Grundlage der photosynthetischen Phänotypen der Untergattung und vergleiche, wie die verschiedenen Phänotypen auf Dürre reagieren. Diese Studie ergab einen Mangel an Überschneidungen in der CAM-spezifischen transkriptomischen Reaktion unterschiedliche CAM-Spezies unter Dürre, was die polygene Natur der CAM hervorhebt. Im dritten Kapitel untersuchte ich die Rolle des interspezifischen Genflusses, und ob der mit mehreren wichtigen Schlüsselmerkmalen in der Untergattung verbunden ist. Zusätzlich prüfe ich, ob Metriken des Genflusses uns über die Verbindung zwischen Genflussmustern in einer Radiation und dem wiederholten Auftreten von Schlüsselmerkmalen informieren können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit eine umfassende Reihe von Analysen liefert, die mehrere Disziplinen überbrücken und die genomischen Muster der Diversifizierung in Verbindung mit wichtigen Schlüsselmerkmalen in einer faszinierenden Pflanzenradiation charakterisieren und eine Grundlage für weitere Studien zu den Triebkräften adaptiver Radiationen im Allgemeinen bieten.

Abstract

(Englisch)

Despite forming the basis of much of Earth’s biological diversity, evolutionary radiations continue to puzzle evolutionary biologists, as classic models of speciation struggle to explain rapid and abundant bursts of diversification. While ecological opportunity has been regarded as a key driver of adaptive radiations, the intrinsic drivers generating novel genetic variation needed for lineages to diversify into ecological niches are still poorly understood. The subgenus Tillandsia (Bromeliaceae) presents an exemplary study system for adaptive radiation, as it displays vast phenotypic variation and numerous key innovation traits, such as markedly different photosynthetic modes, pollination syndromes and growth habits. The subgenus is thought to have arisen six mya in the Andes, and to have diversified into an ecologically diverse set of approximately 350 species after spreading into Central and North America. In this thesis, I investigated the role of genome evolution and gene flow as drivers of key innovation trait evolution in the subgenus Tillandsia, with a specific focus on Crassulacean Acid Metabolism (CAM). In the first chapter, I report comparative genomic analyses on two Tillandsia species displaying divergent photosynthetic phenotypes, which revealed that CAM-related gene families exhibit increased levels of gene family expansion. Additionally, analyses on karyotype, synteny and repetitive content pointed at significant levels of genome evolution, including karyotype changes between species, over a short divergence time. In the second chapter, I delved deeper into the transcriptomic basis of photosynthetic phenotypes in the subgenus and compared their response to drought conditions. This revealed a lack of overlap in the CAM-specific transcriptomic response to drought conditions between different CAM species, highlighting the polygenic nature of CAM. In the third chapter, I studied the role of interspecific gene flow linked to multiple key innovation traits and tested whether metrics of gene flow can be informative regarding the link between gene flow patterns across a radiation and the repeated occurrence of key innovation traits. In summary, this thesis provides an expansive set of analyses bridging multiple disciplines that characterize genomic patterns of diversification linked to key inovation traits in a fascinating plant radiation, and provides a basis for further studies on the drivers of adaptive radiations in general.

Autor*innen

Clara Adriana Groot Crego

Haupttitel (Englisch)

Molecular sources of variation and their role in the adaptive radiation of Tillandsia, Bromeliaceae

Paralleltitel (Deutsch)

Molekulare Ursprünge von Variation und ihre Rolle in der adaptiven Radiation von Tillandsia, Bromeliaceae

Publikationsjahr

2024

Umfangsangabe

272 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Gudrun Kadereit ,

James Leebens-Mack

Klassifikation

42 Biologie > 42.21 Evolution

AC Nummer

AC17219332

Utheses ID

71289

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 437 |

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