Elisabeth Hempel

• African antelopes are iconic but surprisingly understudied in terms of their genetics, especially when it comes to their evolutionary history and genetic diversity. The age of genomics provides an opportunity to investigate evolution using whole nuclear genomes. Decreasing sequencing costs enable the recovery of multiple loci per genome, giving more power to single specimen analyses and providing higher resolution insights into species and populations that can help guide conservation efforts. This age of genomics has only recently begun for African antelopes. Many African bovids have a declining population trend and hence, are often endangered. Consequently, contemporary samples from the wild are often hard to collect. In these cases, ex situ samples from contemporary captive populations or in the form of archival or ancient DNA (aDNA) from historical museum or archaeological/paleontological specimens present a great research opportunity with the latter two even offering a window to information about the past. However, the recovery ofAfrican antelopes are iconic but surprisingly understudied in terms of their genetics, especially when it comes to their evolutionary history and genetic diversity. The age of genomics provides an opportunity to investigate evolution using whole nuclear genomes. Decreasing sequencing costs enable the recovery of multiple loci per genome, giving more power to single specimen analyses and providing higher resolution insights into species and populations that can help guide conservation efforts. This age of genomics has only recently begun for African antelopes. Many African bovids have a declining population trend and hence, are often endangered. Consequently, contemporary samples from the wild are often hard to collect. In these cases, ex situ samples from contemporary captive populations or in the form of archival or ancient DNA (aDNA) from historical museum or archaeological/paleontological specimens present a great research opportunity with the latter two even offering a window to information about the past. However, the recovery of aDNA is still considered challenging from regions with prevailing climatic conditions that are deemed adverse for DNA preservation like the African continent. This raises the question if DNA recovery from fossils as old as the early Holocene from these regions is possible. This thesis focuses on investigating the evolutionary history and genetic diversity of two species: the addax (Addax nasomaculatus) and the blue antelope (Hippotragus leucophaeus). The addax is critically endangered and might even already be extinct in the wild, while the blue antelope became extinct ~1800 AD, becoming the first extinct large African mammal species in historical times. Together, the addax and the blue antelope can inform us about current and past extinction events and the knowledge gained can help guide conservation efforts of threatened species. The three studies used ex situ samples and present the first nuclear whole genome data for both species. The addax study used historical museum specimens and a contemporary sample from a captive population. The two studies on the blue antelope used mainly historical museum specimens but also fossils, and resulted in the recovery of the oldest paleogenome from Africa at that time. The aim of the first study was to assess the genetic diversity and the evolutionary history of the addax. It found that the historical wild addax population showed only limited phylogeographic structuring, indicating that the addax was a highly mobile and panmictic population and suggesting that the current European captive population might be missing the majority of the historical mitochondrial diversity. It also found the nuclear and mitochondrial diversity in the addax to be rather low compared to other wild ungulate species. Suggestions on how to best save the remaining genetic diversity are presented. The European zoo population was shown to exhibit no or only minor levels of inbreeding, indicating good prospects for the restoration of the species in the wild. The trajectory of the addax’s effective population size indicated a major bottleneck in the late Pleistocene and a low effective population size well before recent human impact led to the species being critically endangered today. The second study set out to investigate the identities of historical blue antelope specimens using aDNA techniques. Results showed that six out of ten investigated specimens were misidentified, demonstrating the blue antelope to be one of the scarcest mammal species in historical natural history collections, with almost no bone reference material. The preliminary analysis of the mitochondrial genomes suggested a low diversity and hence low population size at the time of the European colonization of southern Africa. Study three presents the results of the analyses of two blue antelope nuclear genomes, one ~200 years old and another dating to the early Holocene, 9,800–9,300 cal years BP. A fossil-calibrated phylogeny dated the divergence time of the three historically extant Hippotragus species to ~2.86 Ma and demonstrated the blue and the sable antelope (H. niger) to be sister species. In addition, ancient gene flow from the roan (H. equinus) into the blue antelope was detected. A comparison with the roan and the sable antelope indicated that the blue antelope had a much lower nuclear diversity, suggesting a low population size since at least the early Holocene. This concurs with findings from the fossil record that show a considerable decline in abundance after the Pleistocene–Holocene transition. Moreover, it suggests that the blue antelope persisted throughout the Holocene regardless of a low population size, indicating that human impact in the colonial era was a major factor in the blue antelope’s extinction. This thesis uses aDNA analyses to provide deeper insights into the evolutionary history and genetic diversity of the addax and the blue antelope. Human impact likely was the main driver of extinction in the blue antelope, and is likely the main factor threatening the addax today. This thesis demonstrates the value of ex situ samples for science and conservation, and suggests to include genetic data for conservation assessments of species. It further demonstrates the beneficial use of aDNA for the taxonomic identification of historically important specimens in natural history collections. Finally, the successful retrieval of a paleogenome from the early Holocene of Africa using shotgun sequencing shows that DNA retrieval from samples of that age is possible from regions generally deemed unfavorable for DNA preservation, opening up new research opportunities. All three studies enhance our knowledge of African antelopes, contributing to the general understanding of African large mammal evolution and to the conservation of these and similarly threatened species.…
• Afrikanische Antilopen sind sehr bekannte Tiere. Allerdings sind sie genetisch wenig untersucht, vor allem hinsichtlich ihrer Evolutionsgeschichte und genetischen Diversität. Das Zeitalter der Genomik ermöglicht es, Evolution mit Hilfe von kompletten nukleären Genomen zu untersuchen. Durch sinkende Sequenzierkosten können zahlreiche Genloci pro Genom gewonnen werden, wodurch Analysen mit nur einem Exemplar mehr Aussagekraft zukommt und tiefere Erkenntnisse über Arten und Populationen zulassen, die Artenschutzbemühungen unterstützen können. Für afrikanische Antilopen hat dieses Zeitalter gerade erst begonnen. Viele afrikanische Boviden haben einen sinkenden Populationstrend und sind daher häufig gefährdet. Dies erschwert es oft, Proben freilebender Tiere zu bekommen. In diesen Fällen bieten ex situ Proben von in Gefangenschaft lebenden Tieren oder in Form von alter DNA (aDNA) aus naturhistorischen Sammlungen eine gute Forschungsmöglichkeit. Letztere ermöglicht zudem den Zugang zu Informationen aus der Vergangenheit. Es gilt noch immerAfrikanische Antilopen sind sehr bekannte Tiere. Allerdings sind sie genetisch wenig untersucht, vor allem hinsichtlich ihrer Evolutionsgeschichte und genetischen Diversität. Das Zeitalter der Genomik ermöglicht es, Evolution mit Hilfe von kompletten nukleären Genomen zu untersuchen. Durch sinkende Sequenzierkosten können zahlreiche Genloci pro Genom gewonnen werden, wodurch Analysen mit nur einem Exemplar mehr Aussagekraft zukommt und tiefere Erkenntnisse über Arten und Populationen zulassen, die Artenschutzbemühungen unterstützen können. Für afrikanische Antilopen hat dieses Zeitalter gerade erst begonnen. Viele afrikanische Boviden haben einen sinkenden Populationstrend und sind daher häufig gefährdet. Dies erschwert es oft, Proben freilebender Tiere zu bekommen. In diesen Fällen bieten ex situ Proben von in Gefangenschaft lebenden Tieren oder in Form von alter DNA (aDNA) aus naturhistorischen Sammlungen eine gute Forschungsmöglichkeit. Letztere ermöglicht zudem den Zugang zu Informationen aus der Vergangenheit. Es gilt noch immer als Herausforderung, aDNA aus Regionen zu erlangen, deren Bedingungen schlecht für den Erhalt von DNA sind. Dies wirft die Frage auf, ob es möglich ist, aDNA aus Fossilien vom Beginn des Holozäns aus Afrika zu erhalten. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Erforschung der Evolutionsgeschichte und der genetischen Diversität der Mendesantilope (Addax nasomaculatus) und des Blaubocks (Hippotragus leucophaeus). Die Mendesantilope ist vom Aussterben bedroht und könnte in freier Wildbahn bereits ausgestorben sein. Der Blaubock starb ca. 1800 aus und war das erste afrikanische Großsäugetier, das in historischer Zeit ausstarb. Beide Arten können unsere Kenntnisse über derzeitige und vergangene Aussterbeereignisse erweitern, um den Schutz bedrohter Arten zu unterstützen. Die drei Studien dieser Doktorarbeit nutzten ex situ Proben und präsentieren die ersten kompletten nukleären Genome dieser beiden Arten. Die Studie über die Mendesantilope nutzte historische Präparate aus naturhistorischen Sammlungen sowie eine rezente Probe eines Tieres aus Gefangenschaft. Beide Blaubock-Studien nutzten vor allem Präparate aus naturhistorischen Sammlungen, aber auch Fossilien, woraus das zu diesem Zeitpunkt älteste Paläogenom aus Afrika resultierte. Die erste Studie untersuchte die genetische Diversität und Evolutionsgeschichte der Mendesantilope. Es zeigte sich, dass ihre historische Wildpopulation nur eine geringe phylogeographische Strukturierung aufwies, was auf eine sehr mobile und panmiktische Population hindeutet. Dies legt nahe, dass die rezente europäische Zoopopulation vermutlich Großteile der historischen mitochondrialen Diversität verloren hat. Zusätzlich zeigte sich, dass die nukleäre und mitochondriale Diversität relativ gering waren im Vergleich zu anderen wilden Huftierarten. Es werden Möglichkeiten zum Erhalt der verbliebenen Diversität aufgezeigt. Die europäische Zoopopulation zeigte keine beziehungsweise nur geringe Anzeichen von Inzucht, was für gute Wiederauswilderungsaussichten spricht. Die effektive Populationsgröße der Mendesantilope weist einen starken genetischen Flaschenhals im späten Pleistozän auf. Zudem war sie bereits deutlich niedrig, bevor der derzeitige menschliche Einfluss zu ihrer heutigen Bedrohung führte. Die zweite Stude untersuchte mit Hilfe von aDNA die Identitäten historischer Blaubock-Präparate. Nur vier der zehn untersuchten Präparate stellten sich als Blauböcke heraus. Somit ist der Blaubock eine der seltensten Säugetierarten in naturhistorischen Sammlungen, für die es zudem kaum Knochenreferenzmaterial gibt. Die vorläufige Analyse des mitochondrialen Genoms deutet auf eine geringe Diversität und daher eine geringe Populationsgröße zur Zeit der europäischen Kolonialisierung Südafrikas hin. Die dritte Studie analysierte zwei nukleäre Blaubockgenome, ein ~200 Jahre altes Präparat und eines aus dem frühen Holozän, 9.800–9.300 Jahre. Ein mit Hilfe von Fossilien kalibrierter Stammbaum datiert die Aufspaltung der drei historisch rezenten Hippotragus-Arten auf ~2,86 Mio. Jahre und zeigt die Rappenantilope (H. niger) und den Blaubock als Schwesterarten. Darüber hinaus wurde früherer Genfluss der Pferdeantilope (H. equinus) zum Blaubock festgestellt. Der Vergleich der drei Hippotragus-Arten legt nahe, dass der Blaubock eine deutlich geringere nukleäre Diversität besaß und somit seit mindestens dem frühen Holozän nur über eine geringe Populationsgröße verfügte. Dies stimmt mit Ergebnissen aus dem Fossilbericht überein, die eine deutliche Häufigkeitsabnahme nach dem Übergang des Pleistozäns zum Holozän aufzeigen. Außerdem suggeriert es, dass der Blaubock unabhängig von einer geringen Populationsgröße das Holozän überdauerte und sein Aussterben stark durch den Menschen während der Kolonialzeit beeinflusst wurde. Diese Doktorarbeit bietet mit Hilfe von aDNA gewonnene Erkenntnisse über die Evolutionsgeschichte und die genetische Diversität der Mendesantilope und des Blaubocks. Der menschliche Einfluss war vermutlich der Hauptaussterbegrund des Blaubocks. Dies gilt wahrscheinlich ebenso für die heutige Bedrohung der Mendesantilope. Diese Doktorarbeit zeigt den Wert von ex situ Proben für die Wissenschaft und den Artenschutz und legt die Einbindung von genetischen Daten für die Bewertung des Gefährdungsstatus einer Art nahe. Des Weiteren demonstriert sie die Nutzung von aDNA für taxonomische Bestimmungen von historisch wichtigen Präparaten in naturhistorischen Sammlungen. Die erfolgreiche Gewinnung eines Paläogenoms aus dem frühen Holozän Afrikas mittels shotgun-Sequenzierung zeigt, dass die DNA-Gewinnung aus Proben diesen Alters aus Regionen möglich ist, deren Bedingungen allgemein als ungünstig für den Erhalt von DNA gelten. Dies eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten. Alle drei Studien erweitern unser Wissen über afrikanische Antilopen und tragen damit zum allgemeinen Verständnis der Evolution von afrikanischen Großsäugetieren sowie zu deren Erhalt und dem ähnlich gefährdeter Arten bei.…