What drives evolutionary diversification in a biodiversity hotspot? : A 'next generation' phylogenetic approach comparing three clades of the Cape Floristic Region´s mega-genus Erica : DFG Project Report

Titelangaben

Nürk, Nicolai M. ; Pirie, Michael D.:
What drives evolutionary diversification in a biodiversity hotspot? : A 'next generation' phylogenetic approach comparing three clades of the Cape Floristic Region´s mega-genus Erica : DFG Project Report.
Universität Bayreuth
Bayreuth , 2024 . - 15 S.

Volltext

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Abstract

The question of what generates biodiversity remains a longstanding classic and is yet still not adequately answered. Since Humboldt and Bonpland (1805; 1846) we know that biodiversity is unequally distributed around the globe with often high diversity in the tropics decreasing towards the poles. Mountain regions with steep ecological gradients and pronounced habitat heterogeneity are unusually diverse, especially in the tropics. Centres of plant diversity outside the tropics, such as the Mediterranean ecosystems, contribute to the uneven distribution in space. Similar to the geographic patterns, diversity is unequally distributed among groups, with radiating lineages often attended by species-poor successive sister clades. In this project, we studied the evolution of biodiversity using its simplest quantity: species richness. We focused on a flowering plant clade, Erica (heathers) that shows tremendous differences in species richness among its lineages and that is an iconic member of the fynbos flora of the Cape Floristic Region (CFR) of South Africa, one of the Mediterranean biodiversity hotspots. We tested hypotheses that might explain the incredible diversity of heathers in the CFR. We conducted weeks of fieldwork observing and documenting over 1260 plants, collected more than 700 herbarium specimens and leaf tissue samples, and curated a database of over 65 000 geo-referenced observations. We DNA sequenced three complete genomes, 295 samples by Hyb-Seq, 66 by GBS, and 525 Sanger sequenced, together covering about 425 species. During the project, we also brought together various experts to join forces for Erica-specific conservation actions and founded the Global Conservation Consortium for Erica (GCC Erica). To address our project-specific questions, we reconstructed phylogenetic trees at different evolutionary scales: genus, species, and below species level. Genomic markers and bioinformatic tools were newly developed to suit our purposes. This allowed us to investigate the age and the biogeographic origin of Cape Erica. We tested for likely factors proposed as potential causes of the high plant diversity of the CFR, principally those relating to shifts in geographic range, ecological niche, and pollinators. Taken together, a highly dynamic picture of Cape Erica’s evolution is emerging that points towards geographic features – dissected ‘sky island’ topography in the CFR, spatial distance, and altitude differences – setting the stage for intensified initial speciation (in isolation). Ecological adaptations dynamically interrelate possibly at finer scales, for example, in situ adaptation to edaphic conditions or more rocky and arid habitats. In parts potentially neutrally driven morphological innovations seem to keep populations separated on secondary contact by influencing pollinator specificity. We inferred these dynamics to be underpinned by genomic processes, including hybridization and horizontal gene transfer. Taken together, neutral and adaptive processes with scale-dependent effects contribute to lineage diversification, and thus, to the megadiverse species richness in Erica in the CFR.

Abstract in weiterer Sprache

Die klassisch-zentrale Frage wie Biodiversität entsteht ist vieluntersucht und hinreichend nicht beantwortet. Bereits Humboldt und Bonpland (1805; 1846) zeigten, dass globale biologische Diversität ungleichmäßig verteilt ist, mit einer oft hohen Vielfalt in den Tropen, die zu den Polen hin abnimmt. Gebirge mit allgemein starken ökologischen Gradienten und ausgeprägter Habitat-Heterogenität sind besonders in den Tropen ungewöhnlich artenreich. Pflanzenvielfalt außerhalb der Tropen, wie in den mediterranen Ökosystemen, trägt zur ungleichen globalen Diversitätsverteilung bei. Ähnlich zu geografischen Mustern ist die Diversität in einzelnen Taxa ungleich verteilt, mit artenreichen Radiationen oft sukzessiv von artenarmen Schwestergruppen begleitet. In diesem Projekt untersuchten wir die Evolution von biologischer Vielfalt anhand ihrer einfachsten Messgröße: Arten. Die megadiversen Erica (Heidekräuter) bilden die artenreichste Gattung der Fynbos-Flora im der Kap Region von Südafrika, einem der extratropischen mediterranen Biodiversitätszentren. Wir untersuchten Hypothesen die eventuell die enorme Diversität erklären können. Dafür dokumentierten wir in mehrwöchiger Feldarbeit über 1260 Pflanzen, sammelten mehr als 700 Herbarbelege, und erstellten eine Datenbank mit über 65000 georeferenzierten Erica Vorkommen. Drei Genome wurden de-novo sequenziert, 295 Proben mittels Hyb-Seq, 66 mittels GBS und 525 mittels Sanger-Sequenzierung; insgesamt ca. 425 Arten. Im Laufe des Projekts brachten wir Wissenschaftler und Experten zusammen und gründeten das ‚Global Conservation Consortium for Erica‘ (GCC Erica). Investigativ rekonstruierten wir phylogenetische Bäume auf verschiedenen evolutionären Ebenen; auf Gattungsniveau, Art- und unterhalb des Artniveaus. Molekularer-genomische Marker und bioinformatische Analysen wurden passgenau für unsere Anforderungen entwickelt. Wir modellierten Alter und Ursprung der Heidekräuter der Kap Region und untersuchten potenziell verantwortliche Faktoren für die hohe Pflanzenvielfalt in der Region, vor allem in Bezug auf Ausbreitung, ökologischen Konservatismus und Bestäuber-Spezifizität. Die gewonnenen Resultate ergeben ein hochdynamisches Szenario, indem räumliche Isolation – differenzierte "sky island" Topografie der Kap Region, räumliche Distanz und Höhenunterschiede – die Grundlage ist für erhöhte Artbildung. Ökologische Anpassungen scheinen eher auf kleineren räumlichen Skalen in dynamischer Wechselbeziehung zu stehen, wie Adaptation an lokaledaphische Bedingungen oder felsig-trockene Lebensräume. Potentiell in Isolation evolvierte, morphologische Innovationen halten Populationen durch Beeinflussung der Bestäubungsspezifität unter sekundärem Kontakt getrennt. Diese Dynamiken werden häufig von genomischen Prozessen überlagert, einschließlich Hybridisierung und horizontalem Gentransfer. Zusammengefasst tragen sowohl neutrale und als auch adaptive Prozesse mit niveauabhängigen Effekten zur evolutionären Diversifizierung bei; somit zur enormen Artenvielfalt in Erica in der Kap Region.