TY - THES A1 - De Cahsan, Binia T1 - Introgressive hybridization in northern range margin populations of the European fire-bellied toad (Bombina bombina) N2 - The European fire-bellied toad (Bombina bombina) is regarded as one of the most threatened species of amphibians in central Europe and is particularly affected by environmental perturbations. During the last decades population numbers in Germany have declined drastically due to pollution, eutrophication and habitat fragmentation. Illegal translocations resulted in an introgression from southern genotypes (probably Austrian) into three local Bombina populations (Northern Germany and Southern Sweden) belonging to the northern lineage of the species. Interestingly, these populations show high frequencies of allochthonous (non-local) alleles at multiple loci and outperform the autochthonous populations in terms of their body condition. Over a time period of ten years, I could show that the Southern lineage haplo- and genotypes are still present in the North and that frequencies of introgressed haplotypes in allochthonous populations did not increase over time. However, the introgression itself expanded towards adjacent populations while the overall haplotype diversity has decreased. In contrast, southern lineage genotypes for two candidate genes under selection, the (immunity) MHC class II gene, as well as the (temperature) stress response HSP70 kDa gene, either do not occur at all or only at low frequencies in northern populations. Furthermore, these alleles do not seem to follow the introgression pattern, as they are also present in non-introgressed populations. This thesis tested two possible outcomes of introgressive hybridization in Northern B. bombina populations: (1) local populations (autochthonous) of Bombina bombina are highly adapted to their environments so that introgression of alien genes causes outbreeding depression or (2) local populations of Bombina bombina potentially lack adaptive variation so that introgression of alien genes causes genetic rescue and promotes adaptive change. I found that this unintentional experiment, as a result of illegal translocations imitating introgression of alien genes coming from a southern population (potentially adapted to warmer climate) into a northern lineage (potentially adapted to local pathogens), has increased the genetic diversity and improved fitness in introgressed northern populations, without disrupting local adaptation in the threatened amphibian species B. bombina, favouring the genetic rescue hypothesis. These results and conclusions represent relevant information for future conservation plans, including supportive breeding programmes for fire-bellied toads in Northern Germany and Southern Sweden. N2 - Die Europäische Rotbauchunke (B. bombina) gilt als eine der meist bedrohten Amphibienarten Zentraleuropas und ist besonders betroffen von Umweltveränderungen und damit einhergehenden ökologischen Störungen. In den letzten Jahrzehnten sind die Populationsbestände in Deutschland durch Umweltverschmutzung, Überdüngung sowie Habitatfragmentierung drastisch zurückgegangen. Illegale Translokationen haben zu einer Introgression von südlichen Genotypen (mutmaßlich aus Österreich stammend) in drei lokalen Bombina-Populationen (Norddeutschland und Südschweden), die zur nördlichen Artabstammungslinie gehören, geführt. Interessanterweise zeigen diese Populationen allochthone (nicht lokale) Allele an mehreren Loci in hoher Frequenz und übertreffen die autochthonen Populationen in ihrer körperlichen Fitness. Diese Arbeit konnte dokumentieren, dass nach einem Zeitraum von zehn Jahren die Haplo- und Genotypen der südlichen Linie noch immer im Norden vorhanden sind und sich die Frequenz in allochthonen Populationen seitdem nicht erhöht hat. Trotzalledem konnte gezeigt werden, dass eine weitere Ausbreitung der Introgression in nahegelegene Populationen stattfand, während sich die Gesamthaplotypendiversität jedoch verringert hat. Im Gegensatz dazu, kommen südliche Allele bei Genen, welche unter Selektionsdruck stehen, beispielsweise die Immunitäts-MHCKlasse-II-Gene und das in die Temperatur- und Stressantwort involvierte HSP70-kDa-Gen, entweder gar nicht oder nur in geringer Frequenz in den nördlichen Populationen vor. Zusätzlich dazu scheinen diese Allele nicht dem Introgressionsmuster zu folgen, da sie auch in nicht-introgressierten Populationen vorzufinden sind. Diese Arbeit diente der Untersuchung zweier möglicher Folgen von introgressiver Hybridisierung in nördlichen B. bombina Populationen: (1) lokale B. bombina Populationen (autochthon) sind hochgradig angepasst an ihre nördliche Umwelt, so dass Introgression von Fremdallelen Auszuchtdepression (outbreeding depression) verursacht oder (2) lokale B. bombina Populationen (autochthon) haben womöglich geringe genetische Anpassungsvariation, so dass Introgression von Fremdgenen eine genetische Rettung (genetic rescue) darstellt und so adaptive Veränderungen fördert. Dieses ungeplante Experiment, das Introgression von Fremdgenen einer südlichen Abstammungslinie (potentiell angepasst an wärmeres Klima) in die nördliche Linie (potentiell angepasst an lokale Pathogene) als Folge von illegaler Aussetzung aufzeigt, führte zu einer Steigerung der genetischen Diversität und Fitness in von Introgression betroffenen, nördlichen Populationen ohne dabei die lokale Anpassung dieser bedrohten Amphibienart zu zerstören. Dies entspräche der Genetic-Rescue-Hypothese. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse und Schlussfolgerungen sind wichtige und relevante Informationen für zukünftige Naturschutzmaßnahmen und deren Managementstrategien, einschließlich unterstützende Zuchtprogramme für Rotbauchunken-Populationen in Norddeutschland und Südschweden. KW - Genetic rescue KW - Bombina bombina KW - Amphibians KW - conservation genetics KW - Introgression KW - Genetische Rettung KW - Bombina bombina KW - Amphibien KW - Naturschutzgenetik KW - Introgression Y1 - CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Schauer, Nicolas T1 - Quantitative trait loci (QTL) for metabolite accumulation and metabolic regulation : metabolite profiling of interspecific crosses of tomato T1 - Metabolomische Analyse von interspezifischen Tomaten N2 - The advent of large-scale and high-throughput technologies has recently caused a shift in focus in contemporary biology from decades of reductionism towards a more systemic view. Alongside the availability of genome sequences the exploration of organisms utilizing such approach should give rise to a more comprehensive understanding of complex systems. Domestication and intensive breeding of crop plants has led to a parallel narrowing of their genetic basis. The potential to improve crops by conventional breeding using elite cultivars is therefore rather limited and molecular technologies, such as marker assisted selection (MAS) are currently being exploited to re-introduce allelic variance from wild species. Molecular breeding strategies have mostly focused on the introduction of yield or resistance related traits to date. However given that medical research has highlighted the importance of crop compositional quality in the human diet this research field is rapidly becoming more important. Chemical composition of biological tissues can be efficiently assessed by metabolite profiling techniques, which allow the multivariate detection of metabolites of a given biological sample. Here, a GC/MS metabolite profiling approach has been applied to investigate natural variation of tomatoes with respect to the chemical composition of their fruits. The establishment of a mass spectral and retention index (MSRI) library was a prerequisite for this work in order to establish a framework for the identification of metabolites from a complex mixture. As mass spectral and retention index information is highly important for the metabolomics community this library was made publicly available. Metabolite profiling of tomato wild species revealed large differences in the chemical composition, especially of amino and organic acids, as well as on the sugar composition and secondary metabolites. Intriguingly, the analysis of a set of S. pennellii introgression lines (IL) identified 889 quantitative trait loci of compositional quality and 326 yield-associated traits. These traits are characterized by increases/decreases not only of single metabolites but also of entire metabolic pathways, thus highlighting the potential of this approach in uncovering novel aspects of metabolic regulation. Finally the biosynthetic pathway of the phenylalanine-derived fruit volatiles phenylethanol and phenylacetaldehyde was elucidated via a combination of metabolic profiling of natural variation, stable isotope tracer experiments and reverse genetic experimentation. N2 - Die Einführung von Hochdurchsatzmethoden zur Analyse von biologischen Systemen, sowie die umfangreiche Sequenzierung von Genomen haben zu einer Verlagerung der Forschung „im Detail“ zu einer ganzheitlicheren Betrachtungsweise auf Systemebene geführt. Aus einer jahrhundertlangen, intensiven Züchtung und Selektion von Nutzpflanzen resultierte gleichzeitig eine Abnahme der genetischen Varianz. Daraus resultierend sind Nutzpflanzen anfälliger gegenüber Stressfaktoren, wie Pathogenen, hohen Salzkonzentrationen oder Trockenheit, als ihre Wildarten. Das Potential konventioneller Züchtung scheint somit heute an seine Grenzen gekommen zu sein. Daher versucht man mittels moderner Molekulartechnik, wie zum Beispiel Marker-gestützte Selektion, Gene oder ganze Genombereiche von Wildarten mit hoher genetischer Variation in Nutzpflanzen einzukreuzen, vornehmlich mit dem Ziel einer Ertrags- bzw. Resistenzsteigerung. Neueste medizinische Studien belegen, dass die Ernährung eine wesentliche Rolle für die menschliche Gesundheit spielt. Besonders wichtig sind hierbei die gesundheitsfördernden Substanzen in pflanzlichen Nahrungsmitteln. Aus diesem Grund kommt der Erforschung der biochemischen Zusammensetzung von biologischen Proben eine immer größere Bedeutung zu. Diese Untersuchung kann elegant durch Metabolitenprofile, welche die multivariate Analyse komplexer biologischer Proben erlauben, durchgeführt werden. In dieser Arbeit wurde zur Untersuchung der biochemischen Zusammensetzung von Tomatenwildarten und interspezifischen S. pennellii Tomatenintrogressionslinien (IL) eine GC/MS basierte Metabolitenanalyseplattform verwendet. Hierzu war es zunächst notwendig eine Massenspektrenbibliothek, zur Annotierung von Massenspektren und Retentionsindices von, in pflanzlichen Proben vorkommenden, Metaboliten anzulegen. Die Analyse der Tomatenwildarten ergab große Unterschiede gegenüber der Kulturtomate im Hinblick auf den Gehalt an Amino- und organischen Säuren, sowie der Zuckerzusammensetzung und den Gehalt an Sekundärmetaboliten. Die darauf folgende Analyse der ILs, von den jede ein genau definiertes genomisches Segment von S. pennellii beinhaltet, bestätigte diese enorme Variation mit 889 metabolischen und 326 ertragsassozierten-Veränderungen in den ILs. Die metabolischen Veränderungen zeichneten sich durch abnehmende bzw. steigende Gehalte von einzelnen Metaboliten, aber auch durch eine koordinierte Änderung aus. In dieser Arbeit wurde weiterhin der Biosyntheseweg der Volatilenstoffe Phenylethanol und Phenylacetaldehyd mit Hilfe einer IL untersucht. Hierbei konnten durch stabile Isotopenmarkierung und eines „reverse genetics“-Ansatzes Gene bzw. Enzyme identifiziert werden, die für die Dekarboxylierung des Eduktes Phenylalanin verantwortlich sind. Diese Arbeit beschreibt erstmals die umfassende Analyse von biochemischen Komponenten auf Genombasis in Tomatenintrogressionslinien und zeigt damit ein Werkzeug auf zur Identifizierung von qualitativen biochemischen Merkmalen in der modernen molekularen Züchtung. KW - Tomate KW - Metabolit KW - GC-MS KW - Introgression KW - Frucht KW - Metabolome KW - Züchtung KW - metabolic genomics KW - Tomato KW - metabolite profiling KW - metabolome KW - breeding KW - crops KW - fruit KW - metabolite breeding KW - metabolic genomics Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7643 ER -