Justus Hagemann

• This thesis focuses on the molecular evolution of Macroscelidea, commonly referred to as sengis. Sengis are a mammalian order belonging to the Afrotherians, one of the four major clades of placental mammals. Sengis currently consist of twenty extant species, all of which are endemic to the African continent. They can be separated in two families, the soft-furred sengis (Macroscelididae) and the giant sengis (Rhynchocyonidae). While giant sengis can be exclusively found in forest habitats, the different soft-furred sengi species dwell in a broad range of habitats, from tropical rain-forests to rocky deserts. Our knowledge on the evolutionary history of sengis is largely incomplete. The high level of superficial morphological resemblance among different sengi species (especially the soft-furred sengis) has for example led to misinterpretations of phylogenetic relationships, based on morphological characters. With the rise of DNA based taxonomic inferences, multiple new genera were defined and new species described. Yet, no full taxonThis thesis focuses on the molecular evolution of Macroscelidea, commonly referred to as sengis. Sengis are a mammalian order belonging to the Afrotherians, one of the four major clades of placental mammals. Sengis currently consist of twenty extant species, all of which are endemic to the African continent. They can be separated in two families, the soft-furred sengis (Macroscelididae) and the giant sengis (Rhynchocyonidae). While giant sengis can be exclusively found in forest habitats, the different soft-furred sengi species dwell in a broad range of habitats, from tropical rain-forests to rocky deserts. Our knowledge on the evolutionary history of sengis is largely incomplete. The high level of superficial morphological resemblance among different sengi species (especially the soft-furred sengis) has for example led to misinterpretations of phylogenetic relationships, based on morphological characters. With the rise of DNA based taxonomic inferences, multiple new genera were defined and new species described. Yet, no full taxon molecular phylogeny exists, hampering the answering of basic taxonomic questions. This lack of knowledge can be to some extent attributed to the limited availability of fresh-tissue samples for DNA extraction. The broad African distribution, partly in political unstable regions and low population densities complicate contemporary sampling approaches. Furthermore, the DNA information available usually covers only short stretches of the mitochondrial genome and thus a single genetic locus with limited informational content. Developments in DNA extraction and library protocols nowadays offer the opportunity to access DNA from museum specimens, collected over the past centuries and stored in natural history museums throughout the world. Thus, the difficulties in fresh-sample acquisition for molecular biological studies can be overcome by the application of museomics, the research field which emerged from those laboratory developments. This thesis uses fresh-tissue samples as well as a vast collection museum specimens to investigate multiple aspects about the macroscelidean evolutionary history. Chapter 4 of this thesis focuses on the phylogenetic relationships of all currently known sengi species. By accessing DNA information from museum specimens in combination of fresh tissue samples and publicly available genetic resources it produces the first full taxon molecular phylogeny of sengis. It confirms the monophyly of the genus Elephantulus and discovers multiple deeply divergent lineages within different species, highlighting the need for species specific approaches. The study furthermore focuses on the evolutionary time frame of sengis by evaluating the impact of commonly varied parameters on tree dating. The results of the study show, that the mitochondrial information used in previous studies to temporal calibrate the Macroscelidean phylogeny led to an overestimation of node ages within sengis. Especially soft-furred sengis are thus much younger than previously assumed. The refined knowledge of nodes ages within sengis offer the opportunity to link e.g. speciation events to environmental changes. Chapter 5 focuses on the genus Petrodromus with its single representative Petrodromus tetradactylus. It again exploits the opportunities of museomics and gathers a comprehensive, multi-locus genetic dataset of P. tetradactylus individuals, distributed across most the known range of this species. It reveals multiple deeply divergent lineages within Petrodromus, whereby some could possibly be associated to previously described sub-species, at least one was formerly unknown. It underscores the necessity for a revision of the genus Petrodromus through the integration of both molecular and morphological evidence. The study, furthermore identifies changing forest distributions through climatic oscillations as main factor shaping the genetic structure of Petrodromus. Chapter 6 uses fresh tissue samples to extent the genomic resources of sengis by thirteen new nuclear genomes, of which two were de-novo assembled. An extensive dataset of more than 8000 protein coding one-to-one orthologs allows to further refine and confirm the temporal time frame of sengi evolution found in Chapter 4. This study moreover investigates the role of gene-flow and incomplete lineage sorting (ILS) in sengi evolution. In addition it identifies clade specific genes of possible outstanding evolutionary importance and links them to potential phenotypic traits affected. A closer investigation of olfactory receptor proteins reveals clade specific differences. A comparison of the demographic past of sengis to other small African mammals does not reveal a sengi specific pattern.…
• Diese Dissertation untersucht die molekulare Evolution von Macroscelidea, auch als Sengis oder Rüsselspringer bezeichnet. Sengis sind eine Ordnung der Afrotheria, einer der vier Hauptkladen der plazentalen Säugetiere. Aktuell gibt es zwanzig beschriebene Sengiarten, die alle ausschließlich auf dem afrikanischen Kontinent vorkommen. Sengis können in zwei Familien unterteilt werden: die Elephantenspitzmäuse zusammen mit den Rüsselratten bilden die Macroscelididae und die Rüsselhündchen die Rhynchocyonidae. Während Rhynchocyonidae ausschließlich in Waldhabitaten zu finden sind, bewohnen verschiedene Macroscelididaearten ein breites Spektrum von Lebensräumen, von tropischen Regenwäldern bis zu felsigen Wüsten. Unser Wissen über die evolutionäre Geschichte der Sengis ist äußerst unvollständig. Der hohe Grad an morphologischer Ähnlichkeit zwischen verschiedenen Sengiarten (insbesondere innerhalb der Macroscelididae) hat beispielsweise zu Fehlinterpretationen phylogenetischer Beziehungen auf der Grundlage morphologischer Merkmale geführt.Diese Dissertation untersucht die molekulare Evolution von Macroscelidea, auch als Sengis oder Rüsselspringer bezeichnet. Sengis sind eine Ordnung der Afrotheria, einer der vier Hauptkladen der plazentalen Säugetiere. Aktuell gibt es zwanzig beschriebene Sengiarten, die alle ausschließlich auf dem afrikanischen Kontinent vorkommen. Sengis können in zwei Familien unterteilt werden: die Elephantenspitzmäuse zusammen mit den Rüsselratten bilden die Macroscelididae und die Rüsselhündchen die Rhynchocyonidae. Während Rhynchocyonidae ausschließlich in Waldhabitaten zu finden sind, bewohnen verschiedene Macroscelididaearten ein breites Spektrum von Lebensräumen, von tropischen Regenwäldern bis zu felsigen Wüsten. Unser Wissen über die evolutionäre Geschichte der Sengis ist äußerst unvollständig. Der hohe Grad an morphologischer Ähnlichkeit zwischen verschiedenen Sengiarten (insbesondere innerhalb der Macroscelididae) hat beispielsweise zu Fehlinterpretationen phylogenetischer Beziehungen auf der Grundlage morphologischer Merkmale geführt. Mit dem Aufkommen DNA-basierter taxonomischer Forschung wurden mehrere neue Gattungen definiert und neue Arten beschrieben. Dennoch existiert derzeit keine vollständige molekulare Phylogenie, was die Beantwortung grundlegender taxonomischer Fragen und tiefergehende evolutionsbiologische Analysen erschwert. Dieser Mangel an Wissen kann zum Teil auf die begrenzte Verfügbarkeit von frischen Gewebeproben für die DNA-Extraktion zurückgeführt werden. Die weite Verbreitung in Afrika, teilweise in politisch instabilen Regionen und geringe Populationssdichten von Sengis erschweren das Sammeln von frischem Probenmaterial, was für die Extraktion von DNA genutzt werden kann. Darüber hinaus deckt die bis jetzt verfügbare DNA-Information über Sengis häufig nur kurze Abschnitte des mitochondrialen Genoms ab und damit einen einzelnen genetischen Lokus mit begrenztem Informationsgehalt. Fortentwicklungen von DNA-Extraktions-Protokollen und Library-Protokollen bieten heutzutage die Möglichkeit, auf DNA von Museumsexemplaren zuzugreifen, die über die letzten Jahrhunderte gesammelt und in Naturkundemuseen weltweit aufbewahrt werden. Somit können die Schwierigkeiten bei der Beschaffung von Frischproben für molekularbiologische Studien überwunden werden. Diese Dissertation verwendet sowohl Frischgewebeproben als auch eine umfangreiche Sammlung von Museumssproben, um verschiedene Aspekte der evolutionären Geschichte der Sengis molekularbiologisch zu untersuchen. Kapitel 4 dieser Dissertation konzentriert sich auf die phylogenetischen Beziehungen aller derzeit bekannten Sengiarten. Durch das Generieren von DNA-Information aus Museumsexemplaren in Kombination mit Frischgewebeproben und öffentlich verfügbaren genetischen Ressourcen wird die erste vollständige molekulare Phylogenie aller Rüsselspringer erzeugt. Die Studie bestätigt die Monophylie der Gattung Elephantulus und entdeckt mehrere tief divergente Linien innerhalb verschiedener Arten, was die Notwendigkeit speziesbezogener Ansätze verdeutlicht. Die Studie konzentriert sich außerdem auf den Zeitrahmen der Sengi-Evolution, indem sie die Auswirkungen häufig variierter Parameter auf die Datierung von Stammbäumen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die mitochondriale Information, die in früheren Studien zur zeitlichen Kalibrierung der Macroscelidean-Phylogenie verwendet wurde, zu einer Überschätzung des Alters von Arttrennungen innerhalb der Rüsselspringer geführt hat. Insbesondere die Macroscelididae sind daher viel jünger als zuvor angenommen. Das präzisere Wissen über das evolutionäre Alter von Rüsselspringern bietet die Möglichkeit, beispielsweise Artaufspaltungen mit Umweltveränderungen zu verknüpfen. Kapitel 5 konzentriert sich auf die Gattung Petrodromus mit ihrem einzigen Vertreter Petrodromus tetradactylus. Es nutzt erneut die Museomics und sammelt einen umfassenden, genetischen Datensatz von P. tetradactylus-Individuen, die über den größten Teil des bekannten Verbreitungsgebiets dieser Art verteilt sind. Es zeigt mehrere tief divergente Linien innerhalb von Petrodromus auf, wobei einige mit zuvor beschriebenen Unterarten in Verbindung gebracht werden könnten, mindestens eine aber zuvor unbekannt war. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit einer taxonomischen Überarbeitung der Gattung Petrodromus durch das Zusammenführen sowohl molekularer als auch morphologischer Indizien. Die Studie identifizier außerdem sich ändernde Waldverteilungen durch klimatische Schwankungen als Hauptfaktor, der die genetische Struktur von Petrodromus formt. Kapitel 6 verwendet Frischgewebeproben, um die genomischen Ressourcen der Rüsselspringer durch dreizehn neue nukleare Genome zu erweitern, von denen zwei de-novo assembliert wurden. Ein umfangreicher Datensatz von mehr als 8000 protein-kodierenden 1:1-Orthologen ermöglicht es, den zeitlichen Rahmen der Rüsselspringerevolution, der in Kapitel 4 gefunden wurde, weiter zu verfeinern und zu bestätigen. Diese Studie untersucht außerdem die Rolle von Genfluss auf die Evolution der Rüsselspringer. Darüber hinaus identifiziert sie für bestimmte Kladen spezifische Gene von möglicherweise herausragender evolutionärer Bedeutung und verknüpft diese mit potenziell betroffenen phänotypischen Merkmalen. Eine genauere Untersuchung von Geruchsrezeptorproteinen zeigt kladespezifische Unterschiede auf.…