TY - JOUR A1 - Fer, Istem A1 - Tietjen, Britta A1 - Jeltsch, Florian A1 - Trauth, Martin H. T1 - Modelling vegetation change during Late Cenozoic uplift of the East African plateaus JF - Palaeogeography, palaeoclimatology, palaeoecology : an international journal for the geo-sciences N2 - The present-day vegetation in the tropics is mainly characterized by forests worldwide except in tropical East Africa, where forests only occur as patches at the coast and in the uplands. These forest patches result from the peculiar aridity that is linked to the uplift of the region during the Late Cenozoic. The Late Cenozoic vegetation history of East Africa is of particular interest as it has set the scene for the contemporary events in mammal and hominin evolution. In this study, we investigate the conditions under which these forest patches could have been connected, and a previous continuous forest belt could have extended and fragmented. We apply a dynamic vegetation model with a set of climatic scenarios in which we systematically alter the present-day environmental conditions such that they would be more favourable for a continuous forest belt in tropical East Africa. We consider varying environmental factors, namely temperature, precipitation and atmospheric CO2 concentrations. Our results show that all of these variables play a significant role in supporting the forest biomes and a continuous forest belt could have occurred under certain combinations of these settings. With our current knowledge of the palaeoenvironmental history of East Africa, it is likely that the region hosted these conditions during the Late Cenozoic. Recent improvements on environmental hypotheses of hominin evolution highlight the role of periods of short and extreme climate variability during the Late Cenozoic specific to East Africa in driving evolution. Our results elucidate how the forest biomes of East Africa can appear and disappear under fluctuating environmental conditions and demonstrate how this climate variability might be recognized on the biosphere level. KW - Dynamic vegetation models KW - Palaeovegetation KW - Evolution KW - Late Cenozoic KW - East Africa KW - Climate change Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2016.04.007 SN - 0031-0182 SN - 1872-616X VL - 467 SP - 120 EP - 130 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Borghi, Gian Luca T1 - Evolution and diversity of photosynthetic metabolism in C3, C3-C4 intermediate and C4 plants T1 - Evolution und Diversität des photosynthetischen Stoffwechsels in C3-, C3-C4-Intermediär- und C4-Pflanzen N2 - In C3 plants, CO2 diffuses into the leaf and is assimilated by the Calvin-Benson cycle in the mesophyll cells. It leaves Rubisco open to its side reaction with O2, resulting in a wasteful cycle known as photorespiration. A sharp fall in atmospheric CO2 levels about 30 million years ago have further increased the side reaction with O2. The pressure to reduce photorespiration led, in over 60 plant genera, to the evolution of a CO2-concentrating mechanism called C4 photosynthesis; in this mode, CO2 is initially incorporated into 4-carbon organic acids, which diffuse to the bundle sheath and are decarboxylated to provide CO2 to Rubisco. Some genera, like Flaveria, contain several species that represent different steps in this complex evolutionary process. However, the majority of terrestrial plant species did not evolve a CO2-concentrating mechanism and perform C3 photosynthesis. This thesis compares photosynthetic metabolism in several species with C3, C4 and intermediate modes of photosynthesis. Metabolite profiling and stable isotope labelling were performed to detect inter-specific differences changes in metabolite profile and, hence, how a pathway operates. The results obtained were subjected to integrative data analyses like hierarchical clustering and principal component analysis, and were deepened by correlation analyses to uncover specific metabolic features and reaction steps that were conserved or differed between species. The main findings are that Calvin-Benson cycle metabolite profiles differ between C3 and C4 species and between different C3 species, including a very different response to rising irradiance in Arabidopsis and rice. These findings confirm Calvin-Benson cycle operation diverged between C3 and C4 species and, most unexpectedly, even between different C3 species. Moreover, primary metabolic profiles supported the current C4 evolutionary model in the genus Flaveria and also provided new insights and opened up new questions. Metabolite profiles also point toward a progressive adjustment of the Calvin-Benson cycle during the evolution of C4 photosynthesis. Overall, this thesis point out the importance of a metabolite-centric approach to uncover underlying differences in species apparently sharing the same photosynthetic routes and as a valid method to investigate evolutionary transition between C3 and C4 photosynthesis. N2 - Bei C3-Pflanzen diffundiert CO2 in das Blatt und wird durch den Calvin-Benson-Zyklus in den Mesophyllzellen assimiliert. Dies lässt Rubisco für seine Nebenreaktion mit O2 offen, was zu einem verschwenderischen Kreislauf führt, der als Photorespiration bekannt ist. Ein starker Rückgang der atmosphärischen CO2-Konzentration vor etwa 30 Millionen Jahren hat die Nebenreaktion mit O2 weiter verstärkt. Der Druck, die Photorespiration zu reduzieren, hat in über 60 Pflanzengattungen zur Entwicklung eines CO2-Konzentrationsmechanismus namens C4-Photosynthese geführt. In diesem Mechanismus wird CO2 zunächst in organische C4-Kohlenstoffsäuren eingebaut, die zur Bündelscheide diffundieren und dort decarboxyliert werden, um CO2 für Rubisco bereitzustellen. Einige Gattungen, wie z.B. Flaveria, enthalten mehrere Arten, die verschiedene Schritte dieses komplexen Evolutionsprozesses darstellen. Die Mehrheit der terrestrischen Pflanzenarten hat jedoch keinen CO2-Konzentrationsmechanismus entwickelt und betreibt C3-Photosynthese. Diese Arbeit vergleicht den Photosynthese-Metabolismus in mehreren Spezies mit C3-, C4- und intermediären Arten der Photosynthese. Metaboliten-Profiling und stabile Isotopenmarkierung wurden durchgeführt, um interspezifische Unterschiede im Metabolitenprofil und damit die Funktionsweise der Stoffwechselwege zu erkennen. Die Ergebnisse wurden integrativen Datenanalysen wie hierarchischem Clustering und Hauptkomponentenanalyse unterzogen und durch Korrelationsanalysen vertieft, um spezifische metabolische Merkmale und Reaktionsschritte aufzudecken, die konserviert oder zwischen Spezies verschieden sind. Die wichtigsten Ergebnisse sind, dass sich die Metabolitenprofile des Calvin-Benson-Zyklus zwischen C3- und C4-Spezies und zwischen verschiedenen C3-Spezies unterscheiden, einschließlich einer sehr unterschiedlichen Reaktion auf steigende Strahlungsintensität bei Arabidopsis und Reis. Diese Ergebnisse bestätigen, dass der Calvin-Benson-Zyklus zwischen C3- und C4-Spezies und, höchst unerwartet, sogar zwischen verschiedenen C3-Spezies divergiert. Darüber hinaus unterstützen die primären Stoffwechselprofile das aktuelle C4-Evolutionsmodell in der Gattung Flaveria, liefern auch neue Erkenntnisse und eröffnen neue Fragen. Die Metabolitenprofile weisen auch auf eine fortschreitende Anpassung des Calvin-Benson-Zyklus während der Evolution der C4-Photosynthese hin. Insgesamt unterstreicht diese Dissertation die Bedeutung eines metabolitenzentrierten Ansatzes, um Unterschiede in Arten aufzudecken, die anscheinend dieselben Photosynthesewege teilen, und als valide Methode zur Untersuchung des evolutionären Übergangs zwischen C3- und C4-Photosynthese. KW - Photosynthesis KW - C4 KW - Evolution KW - Photosynthese KW - C4 KW - Evolution Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-522200 ER - TY - JOUR A1 - Romero-Mujalli, Daniel A1 - Jeltsch, Florian A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Individual-based modeling of eco-evolutionary dynamics BT - state of the art and future directions JF - Regional environmental change N2 - A challenge for eco-evolutionary research is to better understand the effect of climate and landscape changes on species and their distribution. Populations of species can respond to changes in their environment through local genetic adaptation or plasticity, dispersal, or local extinction. The individual-based modeling (IBM) approach has been repeatedly applied to assess organismic responses to environmental changes. IBMs simulate emerging adaptive behaviors from the basic entities upon which both ecological and evolutionary mechanisms act. The objective of this review is to summarize the state of the art of eco-evolutionary IBMs and to explore to what degree they already address the key responses of organisms to environmental change. In this, we identify promising approaches and potential knowledge gaps in the implementation of eco-evolutionary mechanisms to motivate future research. Using mainly the ISI Web of Science, we reveal that most of the progress in eco-evolutionary IBMs in the last decades was achieved for genetic adaptation to novel local environmental conditions. There is, however, not a single eco-evolutionary IBM addressing the three potential adaptive responses simultaneously. Additionally, IBMs implementing adaptive phenotypic plasticity are rare. Most commonly, plasticity was implemented as random noise or reaction norms. Our review further identifies a current lack of models where plasticity is an evolving trait. Future eco-evolutionary models should consider dispersal and plasticity as evolving traits with their associated costs and benefits. Such an integrated approach could help to identify conditions promoting population persistence depending on the life history strategy of organisms and the environment they experience. KW - Modeling KW - Individual-based models KW - Ecology KW - Evolution KW - Eco-evolutionary dynamics Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1007/s10113-018-1406-7 SN - 1436-3798 SN - 1436-378X VL - 19 IS - 1 SP - 1 EP - 12 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - THES A1 - Autenrieth, Marijke T1 - Population genomics of two odontocetes in the North Atlantic and adjacent waters BT - Evolutionary history and conservation implications N2 - Due to continuously intensifying human usage of the marine environment worldwide ranging cetaceans face an increasing number of threats. Besides whaling, overfishing and by-catch, new technical developments increase the water and noise pollution, which can negatively affect marine species. Cetaceans are especially prone to these influences, being at the top of the food chain and therefore accumulating toxins and contaminants. Furthermore, they are extremely noise sensitive due to their highly developed hearing sense and echolocation ability. As a result, several cetacean species were brought to extinction during the last century or are now classified as critically endangered. This work focuses on two odontocetes. It applies and compares different molecular methods for inference of population status and adaptation, with implications for conservation. The worldwide distributed sperm whale (Physeter macrocephalus) shows a matrilineal population structure with predominant male dispersal. A recently stranded group of male sperm whales provided a unique opportunity to investigate male grouping for the first time. Based on the mitochondrial control region, I was able to infer that male bachelor groups comprise multiple matrilines, hence derive from different social groups, and that they represent the genetic variability of the entire North Atlantic. The harbor porpoise (Phocoena phocoena) occurs only in the northern hemisphere. By being small and occurring mostly in coastal habitats it is especially prone to human disturbance. Since some subspecies and subpopulations are critically endangered, it is important to generate and provide genetic markers with high resolution to facilitate population assignment and subsequent protection measurements. Here, I provide the first harbour porpoise whole genome, in high quality and including a draft annotation. Using it for mapping ddRAD seq data, I identify genome wide SNPs and, together with a fragment of the mitochondrial control region, inferred the population structure of its North Atlantic distribution range. The Belt Sea harbors a distinct subpopulation oppose to the North Atlantic, with a transition zone in the Kattegat. Within the North Atlantic I could detect subtle genetic differentiation between western (Canada-Iceland) and eastern (North Sea) regions, with support for a German North Sea breading ground around the Isle of Sylt. Further, I was able to detect six outlier loci which show isolation by distance across the investigated sampling areas. In employing different markers, I could show that single maker systems as well as genome wide data can unravel new information about population affinities of odontocetes. Genome wide data can facilitate investigation of adaptations and evolutionary history of the species and its populations. Moreover, they facilitate population genetic investigations, providing a high resolution, and hence allowing for detection of subtle population structuring especially important for highly mobile cetaceans. N2 - Mit der immer stärker zunehmenden Nutzung des marinen Lebensraumes durch den Menschen, häufen sich auch die Bedrohungen, wie beispielsweise Lebensraumzerstörungen, denen Cetacea ausgesetzt sind. Die Folgen aus Walfang, Überfischung und Beifang, wie auch die stärkere Verschmutzung der Meere sowie die Zunahme des generellen Lärmpegels, haben negative Effekte auf eine Vielzahl mariner Arten. Cetacea sind besonders anfällig für diese Störungen, da sie einerseits am Ende der Nahrungskette stehen und somit besonders Schadstoffe, wie bspw. PBEs, in ihren Körpern akkumulieren und andererseits durch ihr hoch angepasstes Gehör äußerst sensibel gegenüber Geräuschstörungen sind. Im Laufe des letzten Jahrhunderts wurden einige marine Säugetiere bereits ausgerottet oder fast bis an den Rand des Aussterbens gebracht. Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei Zahnwalarten, die in ihrer Biologie und Populationsstruktur sehr verschieden sind. Sie bieten die Möglichkeit, verschiedene Methoden der Naturschutz- und Populationsgenetik anzuwenden und zu vergleichen. Der weltweit verbreitete Pottwal ist matrilineal organisiert mit Weibchen, die in sozialen Gruppen in der Nähe des Äquators leben, und Männchen, die in kleinen Gruppen zu den Polen migrieren. Zum Jahresbeginn 2016 strandete eine Gruppe junger männlicher Pottwale entlang der Nordsee. Dieses Ereignis bot die einzigartige Chance, erstmals die genetische Zusammensetzung einer männlichen Pottwalgruppe zu untersuchen. Basierend auf der mitochondrialen Kontrollregion, konnte ich zeigen, dass sie von mehreren Matrilinien abstammen und in ihrer Gesamtheit die genetische Vielfalt der nordatlantischen Gesamtpopulation repräsentieren. Der Schweinswal ist innerhalb der nördlichen Hemisphäre weit verbreitet. Durch seine kleine Körpergrösse und die Präferenz für küstennahe Habitate ist er besonders anfällig gegenüber negativen anthropogenen Einflüssen. Da sowohl eine seiner Unterarten als auch einige Subpopulationen durch die IUCN als stark bedroht klassifiziert sind, ist es besonders wichtig die genetische Struktur dieser Art und ihrer Populationen zu erfassen und hochauflösende Markersysteme zu generieren, um verlässliche Informationen zum Status lokaler Populationen für weiterführende Naturschutzmaßnahmen bereitzustellen. In dieser Arbeit konnte ich die erste komplette Genomsequenz des Schweinwal in hoher Qualität bereitstellen und sie für die Analyse von ddRAD-Daten als Referenz nutzen. Mittles genomweit verteilter SNPs, sowie einem Abschnitt der mitochondrialen Kontrollregion zeigte sich, dass die Schweinswale in der Beltsee eine eigenständige Population bilden, mit einer Transitionszone zum Nord-Atlantik im Kattegat. Innerhalb des Nord-Atlantiks zeigten sich Unterschiede zwischen West (Kanada-Island) und Ost (Nordsee), sowie eine Abgrenzung deutscher Schweinswale um die Insel Sylt. Außerdem konnte ich sechs SNPs identifizieren, welche die populationsgenetische Auflösung im Nordatlantik und geographischen Distanz wiederspiegeln. Durch den Vergleich verschiedener Markersysteme konnte ich zeigen, dass sowohl einzelne Marker als auch genomweite Marker neue Erkenntnisse zu Populationsstrukturen und Anpassungen von Zahnwalen liefern. Durch die hohe Mobilität und den schwer zugänglichen Lebensraum mariner Säugetiere sind hochauflösende genetische Markersysteme der Schlüssel für ein besseres Verständnis und den Schutz dieser Arten. KW - genomics KW - population genetics KW - conservation KW - evolution KW - whole genome KW - toothed whales KW - Genomik KW - Populationsgenetik KW - Naturschutz KW - Evolution KW - Zahnwale Y1 - 2020 ER - TY - JOUR A1 - Smith, Sarah R. A1 - Dupont, Chris L. A1 - McCarthy, James K. A1 - Broddrick, Jared T. A1 - Obornik, Miroslav A1 - Horak, Ales A1 - Füssy, Zoltán A1 - Cihlar, Jaromir A1 - Kleessen, Sabrina A1 - Zheng, Hong A1 - McCrow, John P. A1 - Hixson, Kim K. A1 - Araujo, Wagner L. A1 - Nunes-Nesi, Adriano A1 - Fernie, Alisdair R. A1 - Nikoloski, Zoran A1 - Palsson, Bernhard O. A1 - Allen, Andrew E. T1 - Evolution and regulation of nitrogen flux through compartmentalized metabolic networks in a marine diatom JF - Nature Communications N2 - Diatoms outcompete other phytoplankton for nitrate, yet little is known about the mechanisms underpinning this ability. Genomes and genome-enabled studies have shown that diatoms possess unique features of nitrogen metabolism however, the implications for nutrient utilization and growth are poorly understood. Using a combination of transcriptomics, proteomics, metabolomics, fluxomics, and flux balance analysis to examine short-term shifts in nitrogen utilization in the model pennate diatom in Phaeodactylum tricornutum, we obtained a systems-level understanding of assimilation and intracellular distribution of nitrogen. Chloroplasts and mitochondria are energetically integrated at the critical intersection of carbon and nitrogen metabolism in diatoms. Pathways involved in this integration are organelle-localized GS-GOGAT cycles, aspartate and alanine systems for amino moiety exchange, and a split-organelle arginine biosynthesis pathway that clarifies the role of the diatom urea cycle. This unique configuration allows diatoms to efficiently adjust to changing nitrogen status, conferring an ecological advantage over other phytoplankton taxa. KW - Biochemistry KW - Computational biology and bioinformatics KW - Evolution KW - Microbiology KW - Molecular biology Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-019-12407-y SN - 2041-1723 VL - 10 PB - Nature Publ. Group CY - London ER - TY - GEN A1 - Paraskevopoulou, Sofia A1 - Dennis, Alice B. A1 - Weithoff, Guntram A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Temperature-dependent life history and transcriptomic responses in heat-tolerant versus heat-sensitive Brachionus rotifers T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Thermal stress response is an essential physiological trait that determines occurrence and temporal succession in nature, including response to climate change. We compared temperature-related demography in closely related heat-tolerant and heat-sensitive Brachionus rotifer species. We found significant differences in heat response, with the heat-sensitive species adopting a strategy of long survival and low population growth, while the heat-tolerant followed the opposite strategy. In both species, we examined the genetic basis of physiological variation by comparing gene expression across increasing temperatures. Comparative transcriptomic analyses identified shared and opposing responses to heat. Interestingly, expression of heat shock proteins (hsps) was strikingly different in the two species and mirrored differences in population growth rates, showing that hsp genes are likely a key component of a species’ adaptation to different temperatures. Temperature induction caused opposing patterns of expression in further functional categories including energy, carbohydrate and lipid metabolism, and in genes related to ribosomal proteins. In the heat-sensitive species, elevated temperatures caused up-regulation of genes related to meiosis induction and post-translational histone modifications. This work demonstrates the sweeping reorganizations of biological functions that accompany temperature adaptation in these two species and reveals potential molecular mechanisms that might be activated for adaptation to global warming. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1012 KW - Ecology KW - Evolution KW - Oyster Crassostrea-gigas KW - cryptic species complex KW - pacific oyster KW - thermal-stress KW - genetic differentiation KW - expression patterns KW - molecular phylogeny KW - shock proteins KW - evolutionary KW - hsp70 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482280 SN - 1866-8372 IS - 1012 ER - TY - JOUR A1 - Paraskevopoulou, Sofia A1 - Dennis, Alice B. A1 - Weithoff, Guntram A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Temperature-dependent life history and transcriptomic responses in heat-tolerant versus heat-sensitive Brachionus rotifers JF - Scientific Reports N2 - Thermal stress response is an essential physiological trait that determines occurrence and temporal succession in nature, including response to climate change. We compared temperature-related demography in closely related heat-tolerant and heat-sensitive Brachionus rotifer species. We found significant differences in heat response, with the heat-sensitive species adopting a strategy of long survival and low population growth, while the heat-tolerant followed the opposite strategy. In both species, we examined the genetic basis of physiological variation by comparing gene expression across increasing temperatures. Comparative transcriptomic analyses identified shared and opposing responses to heat. Interestingly, expression of heat shock proteins (hsps) was strikingly different in the two species and mirrored differences in population growth rates, showing that hsp genes are likely a key component of a species’ adaptation to different temperatures. Temperature induction caused opposing patterns of expression in further functional categories including energy, carbohydrate and lipid metabolism, and in genes related to ribosomal proteins. In the heat-sensitive species, elevated temperatures caused up-regulation of genes related to meiosis induction and post-translational histone modifications. This work demonstrates the sweeping reorganizations of biological functions that accompany temperature adaptation in these two species and reveals potential molecular mechanisms that might be activated for adaptation to global warming. KW - Ecology KW - Evolution KW - Oyster Crassostrea-gigas KW - cryptic species complex KW - pacific oyster KW - thermal-stress KW - genetic differentiation KW - expression patterns KW - molecular phylogeny KW - shock proteins KW - evolutionary KW - hsp70 Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-020-70173-0 SN - 2045-2322 VL - 10 PB - Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature CY - London ER - TY - JOUR A1 - Hebig, Regina A1 - Giese, Holger T1 - On the complex nature of MDE evolution and its impact on changeability JF - Software and systems modeling KW - Model-driven engineering KW - Evolution KW - Empirical research Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1007/s10270-015-0464-2 SN - 1619-1366 SN - 1619-1374 VL - 16 SP - 333 EP - 356 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - THES A1 - Romero Mujalli, Daniel T1 - Ecological modeling of adaptive evolutionary responses to rapid climate change T1 - Ökologische Modellierung anpassungsfähiger evolutionärer Reaktionen auf schnellen Klimawandel N2 - A contemporary challenge in Ecology and Evolutionary Biology is to anticipate the fate of populations of organisms in the context of a changing world. Climate change and landscape changes due to anthropic activities have been of major concern in the contemporary history. Organisms facing these threats are expected to respond by local adaptation (i.e., genetic changes or phenotypic plasticity) or by shifting their distributional range (migration). However, there are limits to their responses. For example, isolated populations will have more difficulties in developing adaptive innovations by means of genetic changes than interconnected metapopulations. Similarly, the topography of the environment can limit dispersal opportunities for crawling organisms as compared to those that rely on wind. Thus, populations of species with different life history strategy may differ in their ability to cope with changing environmental conditions. However, depending on the taxon, empirical studies investigating organisms’ responses to environmental change may become too complex, long and expensive; plus, complications arising from dealing with endangered species. In consequence, eco-evolutionary modeling offers an opportunity to overcome these limitations and complement empirical studies, understand the action and limitations of underlying mechanisms, and project into possible future scenarios. In this work I take a modeling approach and investigate the effect and relative importance of evolutionary mechanisms (including phenotypic plasticity) on the ability for local adaptation of populations with different life strategy experiencing climate change scenarios. For this, I performed a review on the state of the art of eco-evolutionary Individual-Based Models (IBMs) and identify gaps for future research. Then, I used the results from the review to develop an eco-evolutionary individual-based modeling tool to study the role of genetic and plastic mechanisms in promoting local adaption of populations of organisms with different life strategies experiencing scenarios of climate change and environmental stochasticity. The environment was simulated through a climate variable (e.g., temperature) defining a phenotypic optimum moving at a given rate of change. The rate of change was changed to simulate different scenarios of climate change (no change, slow, medium, rapid climate change). Several scenarios of stochastic noise color resembling different climatic conditions were explored. Results show that populations of sexual species will rely mainly on standing genetic variation and phenotypic plasticity for local adaptation. Population of species with relatively slow growth rate (e.g., large mammals) – especially those of small size – are the most vulnerable, particularly if their plasticity is limited (i.e., specialist species). In addition, whenever organisms from these populations are capable of adaptive plasticity, they can buffer fitness losses in reddish climatic conditions. Likewise, whenever they can adjust their plastic response (e.g., bed-hedging strategy) they will cope with bluish environmental conditions as well. In contrast, life strategies of high fecundity can rely on non-adaptive plasticity for their local adaptation to novel environmental conditions, unless the rate of change is too rapid. A recommended management measure is to guarantee interconnection of isolated populations into metapopulations, such that the supply of useful genetic variation can be increased, and, at the same time, provide them with movement opportunities to follow their preferred niche, when local adaptation becomes problematic. This is particularly important for bluish and reddish climatic conditions, when the rate of change is slow, or for any climatic condition when the level of stress (rate of change) is relatively high. N2 - Eine aktuelle Herausforderung in der Ökologie und Evolutionsbiologie besteht darin, das Schicksal von Populationen verschiedener Lebewesen im Kontext einer sich verändernden Welt zu antizipieren. Der Klimawandel und die durch anthropologische Aktivitäten verursachten Landschaftsveränderungen sind im Laufe der Geschichte von großer Bedeutung geworden. Von den Organismen, die sich diesen Veränderungen stellen, wird erwartet, dass sie durch lokale Anpassung (d.h. genetische Veränderungen oder phänotypische Plastizität) oder durch Verschiebung ihres Verbreitungsgebietes (Migration) darauf reagieren. Allerdings sind diese Reaktionen begrenzt. So werden beispielsweise isolierte Populationen mehr Schwierigkeiten bei der Entwicklung adaptiver Neuheiten mittels genetischer Variation haben als vernetzte Metapopulationen. Ebenso kann die Topographie der Umgebung die Ausbreitungsmöglichkeiten für zum Beispiel kriechende Organismen im Vergleich zu denen, die auf Wind angewiesen sind, einschränken. So können Populationen von Arten mit unterschiedlichen Lebensstrategien verschiedene Fähigkeiten haben, mit den sich ändernden Umweltbedingungen umzugehen. Empirische Studien, die die Reaktionen von Organismen auf Umweltveränderungen untersuchen, können jedoch, je nach Taxon, zu komplex, langwierig und teuer werden. Ebenso sollten Komplikationen im Umgang mit gefährdeten Arten nicht außer Acht gelassen werden. Die ökoevolutionäre Modellierung bietet jedoch die Möglichkeit, diese Einschränkungen zu überwinden und empirische Studien zu ergänzen, die Wirkung und Grenzen der zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen und mögliche Zukunftsszenarien zu erstellen. In dieser Arbeit untersuche ich mittels einer Modellierungsmethode die Wirkung und relative Bedeutung evolutionärer Mechanismen (einschließlich phänotypischer Plastizität) auf die Fähigkeit zur lokalen Anpassung von Populationen mit unterschiedlichen Lebensstrategien, die Szenarien des Klimawandels durchleben. Dazu habe ich in einem Review den Stand der Technik ökoevolutionärer individuenbasierender Modelle (Individual-Based Models; IBMs) zusammengefasst und Ansätze für eine zukünftige Forschung identifiziert. Die Erkenntnisse des Reviews nutzte ich, um ein ökoevolutionäres, individuelles Modellierungsprogramm zu entwickeln. Dieses analysiert die Rolle genetischer und plastischer Mechanismen zur Förderung der lokalen Anpassung organismischer Populationen mit unterschiedlichen Lebensstrategien, welche Szenarien des Klimawandels und der ökologischen Stochastik erfahren. Die Umweltbedingungen wurden durch eine klimatische Variable (z.B. Temperatur) simuliert, die ein phänotypisches Optimum definiert, das sich mit einer bestimmten Änderungsrate bewegt. Verschiedene Änderungsraten wurden angewandt, um unterschiedliche Szenarien des Klimawandels darzustellen (keine Veränderung, langsamer, mittlerer, schneller Klimawandel). Es wurden mehrere Szenarien stochastischen Farbrauschens untersucht, die verschiedene klimatische Bedingungen widerspiegeln. Die Ergebnisse zeigen, dass Populationen sexueller Arten hauptsächlich auf genetische Variation und phänotypische Plastizität hinsichtlich lokalen Anpassung angewiesen sind. Populationen von Arten mit relativ langsamer Wachstumsrate (z.B. große Säugetiere), und insbesondere die mit kleiner Populationsgröße, sind am anfälligsten, vor allem wenn ihre Plastizität begrenzt ist (d.h. spezialisierte Arten). Wenn Individuen dieser Populationen zu adaptiver Plastizität fähig sind, können sie Fitnessverluste unter „rötlichen“ Klimabedingungen ausgleichen. Zugleich können diese Populationen durch Anpassung der Plastizität auch unter bläulichen Umweltbedingungen zurecht kommen (z.B. Bed-Hedging-Strategie). Im Gegensatz dazu können sich Lebensstrategen mit hoher Reproduktionszahl auf nicht-adaptive Plastizität zur lokalen Anpassung an neue Umweltbedingungen verlassen, es sei denn, die Änderungsrate ist zu schnell. Eine empfohlene Handlungsmaßnahme ist es, die Eingliederung von isolierten Populationen in Metapopulationen zu gewährleisten, so dass die genetische Variation erhöht werden kann. Wenn eine lokale Anpassung problematisch wird, sollte ihnen gleichzeitig Migrationsfreiraum gegeben werden, um ihrer bevorzugten Nische zu folgen. Dies ist besonders wichtig für „bläuliche“ und „rötliche“ Klimabedingungen, bei denen die Änderungsrate langsam ist, oder für jede klimatische Bedingung, wenn die Belastung (Änderungsrate) relativ hoch ist. KW - climate change KW - local adaptation KW - plasticity KW - evolution KW - individual-based model KW - Klimawandel KW - lokale Anpassung KW - Plastizität KW - Evolution KW - Individuen-basierende Modelle Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430627 ER - TY - THES A1 - Westbury, Michael V. T1 - Unraveling evolution through Next Generation Sequencing T1 - Entschlüsselung von Evolution durch Sequenzierung der nächsten Generation N2 - The sequencing of the human genome in the early 2000s led to an increased interest in cheap and fast sequencing technologies. This interest culminated in the advent of next generation sequencing (NGS). A number of different NGS platforms have arisen since then all promising to do the same thing, i.e. produce large amounts of genetic information for relatively low costs compared to more traditional methods such as Sanger sequencing. The capabilities of NGS meant that researchers were no longer bound to species for which a lot of previous work had already been done (e.g. model organisms and humans) enabling a shift in research towards more novel and diverse species of interest. This capability has greatly benefitted many fields within the biological sciences, one of which being the field of evolutionary biology. Researchers have begun to move away from the study of laboratory model organisms to wild, natural populations and species which has greatly expanded our knowledge of evolution. NGS boasts a number of benefits over more traditional sequencing approaches. The main benefit comes from the capability to generate information for drastically more loci for a fraction of the cost. This is hugely beneficial to the study of wild animals as, even when large numbers of individuals are unobtainable, the amount of data produced still allows for accurate, reliable population and species level results from a small selection of individuals. The use of NGS to study species for which little to no previous research has been carried out on and the production of novel evolutionary information and reference datasets for the greater scientific community were the focuses of this thesis. Two studies in this thesis focused on producing novel mitochondrial genomes from shotgun sequencing data through iterative mapping, bypassing the need for a close relative to serve as a reference sequence. These mitochondrial genomes were then used to infer species level relationships through phylogenetic analyses. The first of these studies involved reconstructing a complete mitochondrial genome of the bat eared fox (Otocyon megalotis). Phylogenetic analyses of the mitochondrial genome confidently placed the bat eared fox as sister to the clade consisting of the raccoon dog and true foxes within the canidae family. The next study also involved reconstructing a mitochondrial genome but in this case from the extinct Macrauchenia of South America. As this study utilised ancient DNA, it involved a lot of parameter testing, quality controls and strict thresholds to obtain a near complete mitochondrial genome devoid of contamination known to plague ancient DNA studies. Phylogenetic analyses confidently placed Macrauchenia as sister to all living representatives of Perissodactyla with a divergence time of ~66 million years ago. The third and final study of this thesis involved de novo assemblies of both nuclear and mitochondrial genomes from brown and striped hyena and focussed on demographic, genetic diversity and population genomic analyses within the brown hyena. Previous studies of the brown hyena hinted at very low levels of genomic diversity and, perhaps due to this, were unable to find any notable population structure across its range. By incorporating a large number of genetic loci, in the form of complete nuclear genomes, population structure within the brown hyena was uncovered. On top of this, genomic diversity levels were compared to a number of other species. Results showed the brown hyena to have the lowest genomic diversity out of all species included in the study which was perhaps caused by a continuous and ongoing decline in effective population size that started about one million years ago and dramatically accelerated towards the end of the Pleistocene. The studies within this thesis show the power NGS sequencing has and its utility within evolutionary biology. The most notable capabilities outlined in this thesis involve the study of species for which no reference data is available and in the production of large amounts of data, providing evolutionary answers at the species and population level that data produced using more traditional techniques simply could not. N2 - Die Sequenzierung des ersten menschlichen Genoms Anfang der 2000er Jahre förderte das Interesse an kostengünstigen und gleichzeitig schnelleren Sequenziertechniken. Dieses Interesse erreichte seinen derzeitigen Höhepunkt in der Einführung des sogenannten Next Generation Sequencings (NGS). Seitdem wurden zahlreiche NGS-Plattformen entwickelt, die alle dem gleichen Prinzip folgen, nämlich das Erzeugen großer Mengen genetischer Information zu relativ geringen Preisen verglichen mit herkömmlichen Methoden wie der Sanger-Sequenzierung. Die neue Leistungsfähigkeit von NGS bedeutete, dass Forscher nicht mehr länger an Organismen gebunden waren an denen bereits seit Jahren geforscht wurde (bspw. Modellorganismen oder der Mensch), sondern ermöglichte eine Verschiebung in Richtung neuerer und unterschiedlicher Arten von Interesse. Dieses Potential hat viele Wissenschaftsfelder positiv beeinflusst innerhalb der Biowissenschaften, u.a. das Feld der Evolutionsbiologie. Forscher haben angefangen sich zunehmend von Modellorganismen in Laboratorien wegzubewegen hinzu wildlebenden, natürlich vorkommenden Populationen und Arten, was unser Verständnis von Evolution maßgeblich erweitert hat. NGS hat mehrere Vorteile aufzuweisen gegenüber den herkömmlichen Sequenziermethoden. Der wohl größte Vorteil ist die Gewinnung genetischer Daten für mehrere Genorte (Loci) gleichzeitig zu einem Bruchteil der bisherigen Kosten. Das ist besonders nützlich für die Untersuchung wildlebender Tiere da, selbst wenn nicht ausreichend viele Individuen vorliegen, die gewonnene Menge an Daten genaue und verlässliche Ergebnisse auf Populations- sowie Artebene für eine kleine Auswahl an Individuen liefert. Die Verwendung von NGS zur Untersuchung von Arten, für die bisher wenig oder gar keine vorherigen Forschungsergebnisse vorliegen sowie die Gewinnung neuartiger Informationen im Bereich Evolution ebenso wie die Erstellung eines Referenzdatensatzes, der der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt werden kann, waren der Fokus dieser Arbeit. Zwei Studien in dieser Arbeit setzten ihren Fokus in der Gewinnung noch nicht publizierter, mitochondrialer Genome, die mittels iterative mapping erstellt wurden und so das Vorhandensein einer Referenzsequenz eines nahen Verwandten der untersuchten Art unnötig machten. In beiden Fällen wurden Shotgun Sequenzierungsdaten verwendet. Die so gewonnenen mitochondrialen Genome wurden dann genutzt, um innerartliche Verwandtschaftsverhältnisse mit hilfe von phylogenetischen Analysen zu klären. Die erste Studie befasste sich mit der Rekonstruktion des kompletten mitochondrialen Genoms des Löffelhundes (Otocyon megalotis). Die phylogenetische Analyse des mitochondrialen Genoms positionierten den Löffelhund sicher als Schwestergruppe der Klade bestehend aus Marderhund und echten Füchsen innerhalb der Familie Canidae. Die zweite Studie hat sich ebenfalls mit der Rekonstruktion eines mitochondrialen Genoms auseinandergesetzt, diesmal von einer bereits ausgestorbenen Art Südamerikas, dem Macrauchenia. Da diese Studie auf sehr alter DNA (ancient DNA) basiert, schließt sie viele Parametertests, Qualitätskontrollen sowie strenge Filterkriterien ein um ein fast vollständiges mitochondriales Genom erhalten zu können, frei von den für ancient DNA typischen Kontaminationen. Phylogenetische Analysen positionieren Macrauchenia als Schwestergruppe zu allen anderen lebenden Vertretern der Perissodactyla mit einer Abspaltung vor ~66 Millionen Jahren. Die dritte und letzte Studie dieser Arbeit beinhaltet die de novo Konstruktionen von nukleären und mitochondrialen Genomen der Schabracken- und Streifenhyäne mit Fokus auf demographische, genetische Diversität sowie Populationsgenomische Analysen innerhalb der Schabrackenhyänen. Vorausgehende Studien an der Schabrackenhyäne gaben Hinweise für einen geringen Grad an genomischer Diversität und, waren vielleicht deshalb, bisher nicht in der Lage eine nennenswerte Populationsstruktur der Schabrackenhyäne aufzudecken. Zusätzlich wurde die genomische Diversität mit der von einer Reihe anderer Arten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schabrackenhyäne die niedrigste genomische Diversität aufweist im Vergleich zu den in dieser Studie verwendeten Arten, was vielleicht mit einem kontinuierlichen und fortschreitenden Rückgang der effektiven Populationsgröße dieser Spezies zu erklären ist, der vor ca. einer Million Jahre eingesetzt hat und dramatisch zugenommen hat zum Ende des Pleistozän. Die Studien dieser Arbeit zeigen das Potential von NGS Sequenzierung und ihren Nutzen innerhalb der Evolutionsbiologie. Die nennenswertesten Anwendungen von NGS, die in dieser Arbeit hervorgehoben wurden, sind zum Einen der Nutzen für Organismen bzw. Arten für die es keine verfügbaren Referenzdaten gibt sowie zum Anderen die Gewinnung von großen Datenmengen, die die Grundlage bilden zur Beantwortung evolutionsbiologischer Fragestellungen auf Art- und Populationsebene, was vorhergegangene, traditionelle Methoden bisher nicht leisten konnten. KW - Next generation sequencing KW - Evolution KW - Hyena KW - Evolution KW - Hyäne KW - Sequenzierung der nächsten Generation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409981 ER -