Phylogenomic Studies in Heathers (Erica L.)

Titelangaben

Musker, Seth D.:
Phylogenomic Studies in Heathers (Erica L.).
Bayreuth , 2023 . - XIV, 157 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Systematists study the diversity of life on Earth, aiming to describe its variety of forms and the relationships between them, as well as to understand the processes that influence changes in diversity over time and space. One of the most striking aspects of Earth’s biodiversity is that its distribution is highly heterogeneous, varying enormously not just between geographic regions but also between lineages. One place that exemplifies this is the Cape Floristic Region (CFR), a global biodiversity hotspot that hosts roughly 9,000 vascular plant species, of which nearly 70% are found nowhere else. The CFR flora comprises a taxonomically unusual mixture of lineages whose origins lie in Africa, South America, Australia, and Europe. One of its European-origin components, the heathers (genus Erica), stands out as a remarkable example of floristic diversity globally. Out of a global total of around 850 species, almost 700 are found in the CFR, all of which share a single common ancestor that arrived in the region at the earliest around 15 million years ago. Almost immediately after its arrival in the Cape, Erica began to rapidly diversify, attaining a large variety of novel forms. The reasons for this exceptional diversity, however, remain unclear. In this thesis, I aimed to investigate the diversification of Cape Erica by applying recently developed genomic methods to infer inter- and intraspecific relationships in much finer detail than has previously been achieved. I begin by introducing the study of biological diversification in general, in the context of the CFR, and in the context of Erica. In the next chapter I develop a suite of resources to better enable genome-scale phylogenetics (i.e., phylogenomics) in Erica using a genome sampling approach known as target capture, and show that it provides high quality, informative data. In the third chapter I apply this new resource to an unresolved phylogenetic problem regarding the recent diversification of a charismatic group of Cape Erica, the E. abietina/E. viscaria clade. This results in the resolution of some long-standing taxonomic questions, uncovers evidence of interspecific hybridisation, but also indicates a high degree of uncertainty regarding phylogenetic relationships at deep and shallow phylogenetic levels alike. However, rather than indicating a lack of statistical power this uncertainty is shown to more likely be a direct consequence of historical biological processes such as incomplete lineage sorting and rapid diversification. In the fourth chapter I focus in on E. abietina, a species complex that shows evidence of recent, rapid phenotypic diversification, aiming to explore the dynamics of diversification in its earliest stages at the interface of micro- and macroevolution. To do so I employ genotyping-by-sequencing, another genome sampling method that is, relative to target capture, better suited to investigating genetic relationships at such a shallow scale. This reveals a highly dynamic system that is a product of the interplay between divergent selection on floral traits, adaptation to different environments, geographic isolation, secondary contact, and both recent and ancient introgression. Lastly, I conclude with a discussion of what the results of the thesis imply about the modes and drivers of diversification in Cape Erica.

Abstract in weiterer Sprache

Systematiker untersuchen die Vielfalt des Lebens auf der Erde mit dem Ziel, ihre Formenvielfalt und die Beziehungen zwischen ihnen zu beschreiben sowie die Prozesse zu verstehen, die Veränderungen in der Vielfalt über Zeit und Raum beeinflussen. Einer der auffälligsten Aspekte der Biodiversität der Erde ist, dass ihre Verteilung sehr heterogen ist und nicht nur zwischen geografischen Regionen, sondern auch zwischen Abstammungslinien enorm variiert. Ein Beispiel dafür ist die Kapflora (Cape Floristic Region, CFR), ein globaler Biodiversitäts-Hotspot, der rund 9,000 Gefäßpflanzenarten beherbergt, von denen fast 70% nirgendwo sonst zu finden sind. Die Kapflora umfasst eine taxonomisch ungewöhnliche Mischung von Linien, deren Ursprünge in Afrika, Südamerika, Australien und Europa liegen. Eine ihrer ursprünglich europäischen Komponenten, die Heide (Gattung Erica), sticht als bemerkenswertes Beispiel für die weltweite floristische Vielfalt hervor. Von insgesamt rund 850 Arten weltweit kommen fast 700 in der Kapregion vor, die alle einen einzigen gemeinsamen Vorfahren haben, der vor etwa frühestens 15 Millionen Jahren in die Region kam (“Kap Erica” Klade). Fast unmittelbar nach seiner Ankunft in der Kapregion, Erica begann sich schnell zu diversifizieren und erreichte eine große Vielfalt neuartiger Formen. Die Gründe für diese außergewöhnliche Diversität bleiben jedoch unklar. In dieser Arbeit wurde die Diversifizierung von Erica in der Kapregion untersucht. Moderne genomische Methoden wurden anwendet, um inter- und intraspezifische Beziehungen in viel feineren Detail abzuleiten, als dies bisher möglich war. Ich beginne damit, das Studium der biologischen Diversifizierung im Allgemeinen im Kontext des Kapflora und im Kontext von Erica vorzustellen. Im nächsten Kapitel entwickle ich eine Reihe von Ressourcen, um eine Phylogenetik im Genommaßstab (Phylogenomik) in Erica zu ermöglichen, indem ich einen als “target capture” bekannten Ansatz zur Genomprobenahme verwende, und zeige, dass er qualitativ hochwertige, informative Daten liefert. Im dritten Kapitel wende ich diese neue Ressource auf ein ungelöstes phylogenetisches Problem bezüglich der jüngsten Diversifizierung einer charismatischen Gruppe von Kap Erica, der E. abietina/E. viscaria-Klade. Dies führt zur Lösung einiger seit langem bestehender taxonomischer Fragen, deckt Hinweise auf interspezifische Hybridisierung auf, weist aber auch auf ein hohes Maß an Uneindeutlichkeit in Bezug auf phylogenetische Beziehungen auf tiefer und flacher phylogenetischer Ebene hin. Anstatt auf einen Mangel an statistischer Aussagekraft hinzuweisen, zeigt sich jedoch, dass diese Unsicherheit eher eine direkte Folge historischer biologischer Prozesse ist, wie unvollständige Allelsortierung (incomplete lineage sorting) und explosieve Diversifizierung. Im vierten Kapitel konzentriere ich mich auf E. abietina, einen Artenkomplex, der Hinweise auf eine kürzliche, schnelle phänotypische Diversifizierung zeigt, mit dem Ziel, die Dynamik der Diversifizierung in ihren frühesten Stadien an der Schnittstelle von Mikro- und Makroevolution zu untersuchen. Dazu verwende ich Genotyping-by-Sequencing, eine weitere genomische Methode, die im Vergleich zur “target capture” besser geeignet ist, um genetische Beziehungen in einem so flachen Maßstab zu untersuchen. Dies offenbart ein hochdynamisches System, das ein Produkt des Zusammenspiels zwischen unterschiedlicher Selektion auf florale Merkmale, Anpassung an unterschiedliche Umgebungen, geografische Isolation, sekundären Kontakt und sowohl rezenter als auch alter Introgression ist. Ich schließe mit einer Diskussion darüber, was die Ergebnisse der Dissertation über Tempo und Modus der Diversifizierung in Kap Erica implizieren.