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Adaptive radiation and speciation in African weakly-electric fish

Adaptive Radiation und Artbildung von elektrischen Fischen Afrikas

  • The rise of evolutionary novelties is one of the major drivers of evolutionary diversification. African weakly-electric fishes (Teleostei, Mormyridae) have undergone an outstanding adaptive radiation, putatively owing to their ability to communicate through species-specific Electric Organ Discharges (EODs) produced by a novel, muscle-derived electric organ. Indeed, such EODs might have acted as effective pre-zygotic isolation mechanisms, hence favoring ecological speciation in this group of fishes. Despite the evolutionary importance of this organ, genetic investigations regarding its origin and function have remained limited. The ultimate aim of this study is to better understand the genetic basis of EOD production by exploring the transcriptomic profiles of the electric organ and of its ancestral counterpart, the skeletal muscle, in the genus Campylomormyrus. After having established a set of reference transcriptomes using “Next-Generation Sequencing” (NGS) technologies, I performed in silico analyses of differential expression, inThe rise of evolutionary novelties is one of the major drivers of evolutionary diversification. African weakly-electric fishes (Teleostei, Mormyridae) have undergone an outstanding adaptive radiation, putatively owing to their ability to communicate through species-specific Electric Organ Discharges (EODs) produced by a novel, muscle-derived electric organ. Indeed, such EODs might have acted as effective pre-zygotic isolation mechanisms, hence favoring ecological speciation in this group of fishes. Despite the evolutionary importance of this organ, genetic investigations regarding its origin and function have remained limited. The ultimate aim of this study is to better understand the genetic basis of EOD production by exploring the transcriptomic profiles of the electric organ and of its ancestral counterpart, the skeletal muscle, in the genus Campylomormyrus. After having established a set of reference transcriptomes using “Next-Generation Sequencing” (NGS) technologies, I performed in silico analyses of differential expression, in order to identify sets of genes that might be responsible for the functional differences observed between these two kinds of tissues. The results of such analyses indicate that: i) the loss of contractile activity and the decoupling of the excitation-contraction processes are reflected by the down-regulation of the corresponding genes in the electric organ; ii) the metabolic activity of the electric organ might be specialized towards the production and turnover of membrane structures; iii) several ion channels are highly expressed in the electric organ in order to increase excitability, and iv) several myogenic factors might be down-regulated by transcription repressors in the EO. A secondary task of this study is to improve the genus level phylogeny of Campylomormyrus by applying new methods of inference based on the multispecies coalescent model, in order to reduce the conflict among gene trees and to reconstruct a phylogenetic tree as closest as possible to the actual species-tree. By using 1 mitochondrial and 4 nuclear markers, I was able to resolve the phylogenetic relationships among most of the currently described Campylomormyrus species. Additionally, I applied several coalescent-based species delimitation methods, in order to test the hypothesis that putatively cryptic species, which are distinguishable only from their EOD, belong to independently evolving lineages. The results of this analysis were additionally validated by investigating patterns of diversification at 16 microsatellite loci. The results suggest the presence of a new, yet undescribed species of Campylomormyrus.show moreshow less
  • Das übergreifende Ziel dieser Arbeit ist das bessere Verständnis der Bedeutung der schwachen Elektrizität für die adaptive radiation der Mormyriden Afrikas. Das gewählte Modell-Taxon, die Mormyriden-Gattung Campylomormyrus, zeigt eine große Vielfalt an elektrischen Entladungsformen. Diese Entladungsformen sind artspezifisch. Die genetische Basis dieses Merkmales ist allerdings noch unbekannt. In dieser Arbeit habe ich transkriptomische Untersuchungen vom elektrischen Organ und Skelettmuskel durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Analysen zeigen, dass die phenotypischen Unterschiede zwischen dem elektrischen Organ und dem Skelettmusckel in den jeweiligen transkriptomen gespiegelt sind. Ich habe auch einen phylogenetischen Stammbaum für die Gattung Campylomormyrus hergestellt, durch die Anwendung von „Multispecies Coalescent Models“-basierten Methoden. Außerdem, durch die Anwendung von Mikrosatellitdaten, die als unabhängiger Beweis dienten, konnte ich zeigen, dass die identifizierten phylogenetischen Gruppen reproduktiv isolierteDas übergreifende Ziel dieser Arbeit ist das bessere Verständnis der Bedeutung der schwachen Elektrizität für die adaptive radiation der Mormyriden Afrikas. Das gewählte Modell-Taxon, die Mormyriden-Gattung Campylomormyrus, zeigt eine große Vielfalt an elektrischen Entladungsformen. Diese Entladungsformen sind artspezifisch. Die genetische Basis dieses Merkmales ist allerdings noch unbekannt. In dieser Arbeit habe ich transkriptomische Untersuchungen vom elektrischen Organ und Skelettmuskel durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Analysen zeigen, dass die phenotypischen Unterschiede zwischen dem elektrischen Organ und dem Skelettmusckel in den jeweiligen transkriptomen gespiegelt sind. Ich habe auch einen phylogenetischen Stammbaum für die Gattung Campylomormyrus hergestellt, durch die Anwendung von „Multispecies Coalescent Models“-basierten Methoden. Außerdem, durch die Anwendung von Mikrosatellitdaten, die als unabhängiger Beweis dienten, konnte ich zeigen, dass die identifizierten phylogenetischen Gruppen reproduktiv isolierte biologische Arten sind. Auf diese Weise konnte ich ein neuen, noch unbeschriebenen Art nachweisen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Francesco Lamanna
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80097
Subtitle (English):a phylogenetic and transcriptomic perspective
Subtitle (German):eine phylogenetische und transkriptomische Perspektive
Advisor:Ralph Tiedemann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/07/27
Release Date:2016/01/15
Tag:Evolution; Phylogenese; Transkriptomik
evolution; phylogeny; transcriptomics
Pagenumber:114
RVK - Regensburg Classification:WH 3000, WR 4100
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht