TY  - JOUR
A1  - Sicard, Adrien
A1  - Lenhard, Michael
T1  - The selfing syndrome  a model for studying the genetic and evolutionary basis of morphological adaptation in plants
JF  - Annals of botany
N2  - Background In angiosperm evolution, autogamously selfing lineages have been derived from outbreeding ancestors multiple times, and this transition is regarded as one of the most common evolutionary tendencies in flowering plants. In most cases, it is accompanied by a characteristic set of morphological and functional changes to the flowers, together termed the selfing syndrome. Two major areas that have changed during evolution of the selfing syndrome are sex allocation to male vs. female function and flower morphology, in particular flower (mainly petal) size and the distance between anthers and stigma.
 Scope A rich body of theoretical, taxonomic, ecological and genetic studies have addressed the evolutionary modification of these two trait complexes during or after the transition to selfing. Here, we review our current knowledge about the genetics and evolution of the selfing syndrome.
 Conclusions We argue that because of its frequent parallel evolution, the selfing syndrome represents an ideal model for addressing basic questions about morphological evolution and adaptation in flowering plants, but that realizing this potential will require the molecular identification of more of the causal genes underlying relevant trait variation.
KW  - Evolution
KW  - selfing syndrome
KW  - autogamy
KW  - pollen-to-ovule ratio
KW  - flower size
KW  - herkogamy
KW  - quantitative trait loci
KW  - self-incompatibility
Y1  - 2011
U6  - https://doi.org/10.1093/aob/mcr023
SN  - 0305-7364
SN  - 1095-8290
VL  - 107
IS  - 9
SP  - 1433
EP  - 1443
PB  - Oxford Univ. Press
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schütte, Moritz
T1  - Evolutionary fingerprints in genome-scale networks
T1  - Evolutionäre Spuren in genomskaligen Netzwerken
N2  - Mathematical modeling of biological phenomena has experienced increasing interest since new high-throughput technologies give access to growing amounts of molecular data. These modeling approaches are especially able to test hypotheses which are not yet experimentally accessible or guide an experimental setup. One particular attempt investigates the evolutionary dynamics responsible for today's composition of organisms. Computer simulations either propose an evolutionary mechanism and thus reproduce a recent finding or rebuild an evolutionary process in order to learn about its mechanism. The quest for evolutionary fingerprints in metabolic and gene-coexpression networks is the central topic of this cumulative thesis based on four published articles. An understanding of the actual origin of life will probably remain an insoluble problem. However, one can argue that after a first simple metabolism has evolved, the further evolution of metabolism occurred in parallel with the evolution of the sequences of the catalyzing enzymes. Indications of such a coevolution can be found when correlating the change in sequence between two enzymes with their distance on the metabolic network which is obtained from the KEGG database. We observe that there exists a small but significant correlation primarily on nearest neighbors. This indicates that enzymes catalyzing subsequent reactions tend to be descended from the same precursor. Since this correlation is relatively small one can at least assume that, if new enzymes are no "genetic children" of the previous enzymes, they certainly be descended from any of the already existing ones. Following this hypothesis, we introduce a model of enzyme-pathway coevolution. By iteratively adding enzymes, this model explores the metabolic network in a manner similar to diffusion. With implementation of an Gillespie-like algorithm we are able to introduce a tunable parameter that controls the weight of sequence similarity when choosing a new enzyme. Furthermore, this method also defines a time difference between successive evolutionary innovations in terms of a new enzyme. Overall, these simulations generate putative time-courses of the evolutionary walk on the metabolic network. By a time-series analysis, we find that the acquisition of new enzymes appears in bursts which are pronounced when the influence of the sequence similarity is higher. This behavior strongly resembles punctuated equilibrium which denotes the observation that new species tend to appear in bursts as well rather than in a gradual manner. Thus, our model helps to establish a better understanding of punctuated equilibrium giving a potential description at molecular level. From the time-courses we also extract a tentative order of new enzymes, metabolites, and even organisms. The consistence of this order with previous findings provides evidence for the validity of our approach. While the sequence of a gene is actually subject to mutations, its expression profile might also indirectly change through the evolutionary events in the cellular interplay. Gene coexpression data is simply accessible by microarray experiments and commonly illustrated using coexpression networks where genes are nodes and get linked once they show a significant coexpression. Since the large number of genes makes an illustration of the entire coexpression network difficult, clustering helps to show the network on a metalevel. Various clustering techniques already exist. However, we introduce a novel one which maintains control of the cluster sizes and thus assures proper visual inspection. An application of the method on Arabidopsis thaliana reveals that genes causing a severe phenotype often show a functional uniqueness in their network vicinity. This leads to 20 genes of so far unknown phenotype which are however suggested to be essential for plant growth. Of these, six indeed provoke such a severe phenotype, shown by mutant analysis. By an inspection of the degree distribution of the A.thaliana coexpression network, we identified two characteristics. The distribution deviates from the frequently observed power-law by a sharp truncation which follows after an over-representation of highly connected nodes. For a better understanding, we developed an evolutionary model which mimics the growth of a coexpression network by gene duplication which underlies a strong selection criterion, and slight mutational changes in the expression profile. Despite the simplicity of our assumption, we can reproduce the observed properties in A.thaliana as well as in E.coli and S.cerevisiae. The over-representation of high-degree nodes could be identified with mutually well connected genes of similar functional families: zinc fingers (PF00096), flagella, and ribosomes respectively. In conclusion, these four manuscripts demonstrate the usefulness of mathematical models and statistical tools as a source of new biological insight. While the clustering approach of gene coexpression data leads to the phenotypic characterization of so far unknown genes and thus supports genome annotation, our model approaches offer explanations for observed properties of the coexpression network and furthermore substantiate punctuated equilibrium as an evolutionary process by a deeper understanding of an underlying molecular mechanism.
N2  - Die biologische Zelle ist ein sehr kompliziertes Gebilde. Bei ihrer Betrachtung gilt es, das Zusammenspiel von Tausenden bis Millionen von Genen, Regulatoren, Proteinen oder Molekülen zu beschreiben und zu verstehen. Durch enorme Verbesserungen experimenteller Messgeräte gelingt es mittlerweile allerdings in geringer Zeit enorme Datenmengen zu messen, seien dies z.B. die Entschlüsselung eines Genoms oder die Konzentrationen der Moleküle in einer Zelle. Die Systembiologie nimmt sich dem Problem an, aus diesem Datenmeer ein quantitatives Verständnis für die Gesamtheit der Wechselwirkungen in der Zelle zu entwickeln. Dabei stellt die mathematische Modellierung und computergestützte Analyse ein eminent wichtiges Werkzeug dar, lassen sich doch am Computer in kurzer Zeit eine Vielzahl von Fällen testen und daraus Hypothesen generieren, die experimentell verifiziert werden können. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich damit, wie durch mathematische Modellierung Rückschlüsse auf die Evolution und deren Mechanismen geschlossen werden können. Dabei besteht die Arbeit aus zwei Teilen. Zum Einen wurde ein Modell entwickelt, dass die Evolution des Stoffwechsels nachbaut. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Analyse von Genexpressionsdaten, d.h. der Stärke mit der ein bestimmtes Gen in ein Protein umgewandelt, "exprimiert", wird. Der Stoffwechsel bezeichnet die Gesamtheit der chemischen Vorgänge in einem Organismus; zum Einen werden Nahrungsstoffe für den Organismus verwertbar zerlegt, zum Anderen aber auch neue Stoffe aufgebaut. Da für nahezu jede chemische Reaktion ein katalysierendes Enzym benötigt wird, ist davon auszugehen, dass sich der Stoffwechsel parallel zu den Enzymen entwickelt hat. Auf dieser Annahme basiert das entwickelte Modell zur Enzyme-Stoffwechsel-Koevolution. Von einer Anfangsmenge von Enzymen und Molekülen ausgehend, die etwa in einer primitiven Atmosphäre vorgekommen sind, werden sukzessive Enzyme und die nun katalysierbaren Reaktionen hinzugefügt, wodurch die Stoffwechselkapazität anwächst. Die Auswahl eines neuen Enzyms geschieht dabei in Abhängigkeit von der Ähnlichkeit mit bereits vorhandenen und ist so an den evolutionären Vorgang der Mutation angelehnt: je ähnlicher ein neues Enzym zu den vorhandenen ist, desto schneller kann es hinzugefügt werden. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Stoffwechsel die heutige Form angenommen hat. Interessant ist vor allem der zeitliche Verlauf dieser Evolution, der mittels einer Zeitreihenanalyse untersucht wird. Dabei zeigt sich, dass neue Enzyme gebündelt in Gruppen kurzer Zeitfolge auftreten, gefolgt von Intervallen relativer Stille. Dasselbe Phänomen kennt man von der Evolution neuer Arten, die ebenfalls gebündelt auftreten, und wird Punktualismus genannt. Diese Arbeit liefert somit ein besseres Verständnis dieses Phänomens durch eine Beschreibung auf molekularer Ebene. Im zweiten Projekt werden Genexpressionsdaten von Pflanzen analysiert. Einerseits geschieht dies mit einem eigens entwickelten Cluster-Algorithmus. Hier läßt sich beobachten, dass Gene mit einer ähnlichen Funktion oft auch ein ähnliches Expressionsmuster aufweisen. Das Clustering liefert einige Genkandidaten, deren Funktion bisher unbekannt war, von denen aber nun vermutet werden konnte, dass sie enorm wichtig für das Wachstum der Pflanze sind. Durch Experimente von Pflanzen mit und ohne diese Gene zeigte sich, dass sechs neuen Genen dieses essentielle Erscheinungsbild zugeordnet werden kann. Weiterhin wurden Netzwerke der Genexpressionsdaten einer Pflanze, eines Pilzes und eines Bakteriums untersucht. In diesen Netzwerken werden zwei Gene verbunden, falls sie ein sehr ähnliches Expressionsprofil aufweisen. Nun zeigten diese Netzwerke sehr ähnliche und charakteristische Eigenschaften auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein weiteres evolutionäres Modell entwickelt, das die Expressionsprofile anhand von Duplikation, Mutation und Selektion beschreibt. Obwohl das Modell auf sehr simplen Eigenschaften beruht, spiegelt es die beobachteten Eigenschaften sehr gut wider, und es läßt sich der Schluss ziehen, dass diese als Resultat der Evolution betrachtet werden können. Die Ergebnisse dieser Arbeiten sind als Doktorarbeit in kumulativer Form bestehend aus vier veröffentlichten Artikeln vereinigt.
KW  - Systembiologie
KW  - Modellierung
KW  - Evolution
KW  - Stoffwechsel
KW  - Gen-Koexpression
KW  - Systems Biology
KW  - Modeling
KW  - Evolution
KW  - Metabolism
KW  - Gene co-expression
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57483
ER  - 
TY  - THES
A1  - Castro Prieto, Aines del Carmen
T1  - Immunogenetics of free-ranging felids on Namibian farmlands
T1  - Immungenetik freilebender Raubkatzen in landwirtschaftlich genutzten Regionen Namibias
N2  - Genetic variation is crucial for the long-term survival of the species as it provides the potential for adaptive responses to environmental changes such as emerging diseases. The Major Histocompatibility Complex (MHC) is a gene family that plays a central role in the vertebrate’s immune system by triggering the adaptive immune response after exposure to pathogens. MHC genes have become highly suitable molecular markers of adaptive significance. They synthesize two primary cell surface molecules namely MHC class I and class II that recognize short fragments of proteins derived respectively from intracellular (e.g. viruses) and extracellular (e.g. bacteria, protozoa, arthropods) origins and present them to immune cells. High levels of MHC polymorphism frequently observed in natural populations are interpreted as an adaptation to detect and present a wide array of rapidly evolving pathogens. This variation appears to be largely maintained by positive selection driven mainly by pathogenic selective pressures. For my doctoral research I focused on MHC I and II variation in free-ranging cheetahs (Acinonyx jubatus) and leopards (Panthera pardus) on Namibian farmlands. Both felid species are sympatric thus subject to similar pathogenic pressures but differ in their evolutionary and demographic histories. The main aims were to investigate 1) the extent and patterns of MHC variation at the population level in both felids, 2) the association between levels of MHC variation and disease resistance in free-ranging cheetahs, and 3) the role of selection at different time scales in shaping MHC variation in both felids. Cheetahs and leopards represent the largest free-ranging carnivores in Namibia. They concentrate in unprotected areas on privately owned farmlands where domestic and other wild animals also occur and the risk of pathogen transmission is increased. Thus, knowledge on adaptive genetic variation involved in disease resistance may be pertinent to both felid species’ conservation. The cheetah has been used as a classic example in conservation genetics textbooks due to overall low levels of genetic variation. Reduced variation at MHC genes has been associated with high susceptibility to infectious diseases in cheetahs. However, increased disease susceptibility has only been observed in captive cheetahs whereas recent studies in free-ranging Namibian cheetahs revealed a good health status. This raised the question whether the diversity at MHC I and II genes in free-ranging cheetahs is higher than previously reported. In this study, a total of 10 MHC I alleles and four MHC II alleles were observed in 149 individuals throughout Namibia. All alleles but one likely belong to functional MHC genes as their expression was confirmed. The observed alleles belong to four MHC I and three MHC II genes in the species as revealed by phylogenetic analyses. Signatures of historical positive selection acting on specific sites that interact directly with pathogen-derived proteins were detected in both MHC classes. Furthermore, a high genetic differentiation at MHC I was observed between Namibian cheetahs from east-central and north-central regions known to differ substantially in exposure to feline-specific viral pathogens. This suggests that the patterns of MHC I variation in the current population mirrors different pathogenic selective pressure imposed by viruses. Cheetahs showed low levels of MHC diversity compared with other mammalian species including felids, but this does not seem to influence the current immunocompetence of free-ranging cheetahs in Namibia and contradicts the previous conclusion that the cheetah is a paradigm species of disease susceptibility. However, it cannot be ruled out that the low MHC variation might limit a prosperous immunocompetence in the case of an emerging disease scenario because none of the remaining alleles might be able to recognize a novel pathogen. In contrast to cheetahs, leopards occur in most parts of Africa being perhaps the most abundant big cat in the continent. Leopards seem to have escaped from large-scale declines due to epizootics in the past in contrast to some free-ranging large carnivore populations in Africa that have been afflicted by epizootics. Currently, no information about the MHC sequence variation and constitution in African leopards exists. In this study, I characterized genetic variation at MHC I and MHC II genes in free-ranging leopards from Namibia. A total of six MHC I and six MHC II sequences were detected in 25 individuals from the east-central region. The maximum number of sequences observed per individual suggests that they likely correspond to at least three MHC I and three MHC II genes. Hallmarks of MHC evolution were confirmed such as historical positive selection, recombination and trans-species polymorphism. The low MHC variation detected in Namibian leopards is not conclusive and further research is required to assess the extent of MHC variation in different areas of its geographic range. Results from this thesis will contribute to better understanding the evolutionary significance of MHC and conservation implications in free-ranging felids. Translocation of wildlife is an increasingly used management tool for conservation purposes that should be conducted carefully as it may affect the ability of the translocated animals to cope with different pathogenic selective pressures.
N2  - Genetische Variabilität ist entscheidend für das langfristige Überleben von Arten, denn es ermöglicht dem Organismus sich Umweltveränderungen, wie z.B. neu aufkommende Krankheiten, schneller anzupassen. Der Haupthistocompatibilitätskomplex (MHC) ist eine Familie von Genen, der eine zentrale Rolle im Immunsystem von Wirbeltieren zukommt, da sie nach Pathogenkontakt das adaptive Immunsystem aktivieren. Zudem sind MHC Gene geeignete molekulare Marker um Anpassungsfähigkeiten aufzuzeigen. MHC Gene kodieren primär für Zelloberflächenmoleküle, die kurze Peptidfragmente erkennen und den Immunzellen präsentieren, die im Falle der Klasse I Gene intrazellulären (z.B. von Viren) oder im Falle der Klasse II Gene extrazellulären (z.B. von Bakterien, Protozoen, Arthropoden) Ursprungs sein können. In der Regel wird in natürlich vorkommenden Populationen ein hoher Grad an Polymorphismus im MHC beobachtet, was als Anpassung an das Erkennen und Präsentieren einer großen Anzahl sich schnell entwickelnder Pathogene interpretiert wird. Das Bestehen vieler MHC Varianten über große Zeiträume hinweg wird hauptsächlich durch positive Selektion bewirkt, der ein pathogengetriebener Selektionsdruck zugrunde liegt. In meiner Doktorarbeit habe ich mich mit der Variation von MHC I and MHC II in freilebenden Geparden (Acinonyx jubatus) und Leoparden (Panthera pardus) in Farmgebieten innerhalb Namibias beschäftigt. Beide Felidenarten leben sympatrisch und sind so demselben Pathogendruck ausgesetzt, sie unterscheiden sich allerdings in ihrem evolutionären und demographischen Hintergrund. Mein Hauptziel war es 1) das Ausmaß und Muster der MHC Variation auf Populationsebene beider Feliden zu untersuchen; 2) einen möglichen Zusammenhang zwischen dem Grad der MHC Variation und der Krankheitsresistenz in frei lebenden Geparden aufzudecken und 3) zu untersuchen, welche Rolle der Selektion auf die MHC Variabilität beider Arten in der Vergangenheit wie auch gegenwärtig zukommt. Geparden und Leoparden repräsentieren die größten frei lebenden Carnivoren Namibias. Beide Arten kommen hauptsächlich in Farmgebieten vor, die sich in Privatbesitz befinden, und können dort mit anderen Wild- aber auch Haustieren zusammentreffen und potentiell Krankheitserreger austauschen. Die Kenntnis über die adaptive genetische Variation, die für Krankheitsresistenzen mitverantwortlich ist, kann für den Schutz beider Felidenarten von Bedeutung sein. Geparden werden häufig in Lehrbüchern als klassische Beispiele für eine Tierart mit einer generell geringen genetischen Diversität verwendet. Neben neutralen Markern ist bei Geparden auch eine geringe Variabilität der MHC Gene beschrieben worden, die als Ursache einer hohen Anfälligkeit für infektiöse Krankheiten gesehen wird. Bisher wurde allerdings eine erhöhte Krankheitsanfälligkeit nur bei Geparden aus Gefangenschaft beschrieben, wohingegen neuste Studien an frei lebenden Geparden diesen einen guten Gesundheitsstatus attestierten. Dadurch stellt sich die Frage, ob die MHC I und II Diversität in frei lebenden Geparden nicht höher sein könnte als bisher angenommen. In dieser Arbeit konnten insgesamt 10 MHC I und vier MHC II Allele in 149 frei lebenden Geparden aus ganz Namibia nachgewiesen werden. Die Zugehörigkeit zu funktionellen MHC Genen wurde durch Expressionsanalysen bei allen Allelen, außer einem, bestätigt. Durch phylogenetische Analysen konnten die Allele vier MHC I und drei MHC II Genen zu geordnet werden. Das Wirken von positiver Selektion in der Vergangenheit konnte an spezifischen Aminosäuren des Proteins, die in direktem Kontakt zu den pathogenen Antigenen stehen, festgestellt werden. Dies traf für beide MHC Klassen zu. Des Weiteren konnte eine starke genetische Differenzierung des MHC I zwischen Geparden aus einer nord-zentralen und einer ost-zentralen Region festgestellt werden, von denen auch bekannt ist, dass sie unterschiedlichen, felidenspezifischen, viralen Pathogenen ausgesetzt sind. Das lässt vermuten, dass die unterschiedlichen Muster der MHC I Variation in der gegenwärtigen Population den unterschiedlichen pathogengetriebenen Selektionsdruck durch Viren in den beiden Regionen widerspiegelt. Verglichen mit anderen Säugetierarten, insbesondere andere Feliden, zeigen Geparden einen geringen Grad an MHC Diversität, doch das scheint die derzeitige Immunkompetenz frei lebender Geparden in Namibia nicht einzuschränken und widerspricht der bisherigen Meinung dass Geparden ein typisches Beispiel für eine krankheitsanfällige Tierart sind. Es kann allerdings nicht ausgeschlossen werden, dass bei neu auftauchenden Krankheiten die geringe MHC Variation eine erfolgreiche Immunkompetenz verhindert, da möglicherweise keines der gegenwärtigen Allele die Fähigkeit besitzt neue Pathogene zu erkennen. Im Gegensatz zu Geparden kommen Leoparden in allen Teilen Afrikas vor und sind wahrscheinlich die am weitverbreiteste Großkatze des afrikanischen Kontinents. Es scheint, dass Leoparden, im Gegensatz zu anderen afrikanischen Großkatzen, einer ausgedehnten Dezimierung durch Tierseuchen in der Vergangenheit, der einige Populationen afrikanischer Großkatzen ausgesetzt waren, entkommen sind. Bisher fehlten Information über die MHC Variabilität in afrikanischen Leoparden. In dieser Studie konnte ich die genetische Variation der MHC I und MHC II Gene frei lebender namibischer Leoparden charakterisieren. In 25 Tieren aus einer Population der ost-zentralen Region konnten sechs MHC I sowie sechs MHC II Sequenzen nachgewiesen werden. Aus der maximalen Anzahl Allele pro Tier kann auf drei MHC I und auf drei MHC II Gene geschlossen werden. Außerdem konnten die typischen Kennzeichen einer variationserhaltenden MHC Evolution betätigt werden, wie positive Selektion in der Vergangenheit, Rekombination und über Artgrenzen hinaus bestehender Polymorphismus. Der geringe Grad an MHC Variation in namibischen Leoparden ist jedoch noch nicht endgültig und weitere Untersuchungen in unterschiedlichen Regionen aus der gesamten geographischen Verbreitung des Leoparden sind notwendig um die MHC Variation der Leoparden in Gänze einschätzen zu können. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden zu einem besseren Verständnis des evolutionären Stellenwerts des MHC und in Folge zu einem besseren Schutz von frei lebenden Feliden beitragen. Die Umsiedelung von Wildtieren ist ein zunehmend angewendetes Hilfsmittel im Natur- und Artenschutz, welches jedoch mit Sorgfalt eingesetzt werden sollte, da die umgesiedelten Tiere möglicherweise einem anderen pathogenen Selektionsdruck ausgesetzt sind, dem sie nichts entgegenzusetzen haben.
KW  - MHC
KW  - genetische Vielfalt
KW  - Evolution
KW  - Acinonyx jubatus
KW  - Panthera Pardus
KW  - MHC
KW  - genetic diversity
KW  - evolution
KW  - Acinonyx jubatus
KW  - Panthera pardus
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-55505
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