De rol van fylogeografie in evolutiereconstructie hoe moleculaire gegevens kunnen helpen om de ontstaansgeschiedenis van soorten te reconstrueren   door Peter H.H. Weekers In het kader van de Vliebergh-Sencie Leergangen Biologie 2005 “Wegwijs in de Biodiversiteit” 17 + 18 augustus 2005 Science Connection juli 2005 VS-lezing 2005 © PHHW

Overzicht Inleiding en historisch overzicht Moleculaire merkers in de fylogeografie Genetische variatie in de ruimte Genetische variatie in de tijd Toegepaste fylogeografie overzicht VS-lezing 2005 © PHHW

komen bepaalde planten en dieren in sommige gebieden WAAROM komen bepaalde planten en dieren in sommige gebieden juist wel en in andere gebieden juist niet voor ? VERKLARINGEN ecologische factoren omgevingsomstandigheden historische gebeurtenissen vb. geografische locaties huidige soorten in gematigde gebieden inleiding 1/3 VS-lezing 2005 © PHHW

term in 1987 geïntroduceerd door FYLOGEOGRAFIE term in 1987 geïntroduceerd door John C. Avise onderzoeksveld dat zich bezig houd met de uitgangspunten en processen die een rol spelen bij de geografische verspreiding van afstammings- en verwantschapslijnen van soorten en populaties (vooral die op intraspecifieke niveau) inleiding 2/3 VS-lezing 2005 © PHHW

FYLOGEOGRAFIE breed spectrum van onderzoek Fylogenie Genealogie evolutionaire genetica van relaties op soort niveau Genealogie genetische afstammingsrelaties tussen individuen bijzonder succesvol in het verklaren van hoe de verspreiding van planten en dieren werd beïnvloed/veroorzaakt door historische gebeurtenissen, zelfs als die miljoenen jaren geleden plaatsvonden inleiding 3/3 VS-lezing 2005 © PHHW

Moleculaire merkers voor fylogeografische studies ZOOLOGISCHE STUDIES merkers in het mitochondrieel DNA mtDNA merkers worden maternaal overgeërfd ondergaan nagenoeg geen recombinatie zijn gemakkelijk te verkrijgen door isolatie en purificatie BOTANISCHE STUDIES mtDNA veel minder goed bruikbaar evolutionaire veranderingen in de nucleotiden sequenties verlopen veel minder snel wel snelle veranderingen in de rang-schikking van de genen meest gebruikte merkers nog steeds mtDNA (>80%) allozymen beperkt bruikbaar  lage mutatie snelheid, weinig polymorfisme toename gebruik van microsatelliet merkers toename in chloroplast DNA (cpDNA) studies bij planten . molec. merkers 1/5 VS-lezing 2005 © PHHW

Waarom voorkeur voor mtDNA merkers ? door PCR mogelijk om mtDNA te amplificeren zonder eerst te zuiveren hoge “copy number” van mtDNA genen  succesvolle PCR op oude stalen grote mutatie snelheid mtDNA  genoeg mutaties in populaties haplotype distributie vooral bepaald door demografische gebeurtenissen en minder door selectie genetische verschillen tussen populaties in een relatief korte tijd elk haplotype maar een “voorvader” in de vorige generatie  geen recombinatie tussen mtDNA Fylogeografische analyse verspreiding van haplotypes in kaart brengen combineren met gegevens over mutatiesnelheden geschiedenis van een populatie in ruimte en tijd molec. merkers 2/5 VS-lezing 2005 © PHHW

Een klassiek voorbeeld (1979) de Amerikaanse wangzakrat (Geomys pinetis) zuidoosten van de VS (AL, GA, FL) RFLP analyse uitgevoerd op het mtDNA 87 individuen 6 verschillende restrictie enzymen verschillende haplotypes berekende mutatie stappen verschillende clades schematisch maximum parsimony netwerk van de westelijke clade molec. merkers 3/5 VS-lezing 2005 © PHHW

De “coalescent” theorie meest succesvolle conceptuele basis voor het analyseren van fylogeografische data distributie van het voorkomen van gemeenschappelijke afstamming in een fylogenetische boom (“gene tree”) verklaren a.h.v. “genetic drift” migraties veranderingen in populatie grootte selectie molec. merkers 4/5 VS-lezing 2005 © PHHW

De “coalescent” theorie afstammingslijnen van haplotypes komen samen (“coalesce”) in een recente gemeenschappelijke voorouder binnen de populatie 10 40 samengaan van mtDNA haplotypes (geen recombinatie) samengaan van haplotypes van nucleaire genen (wel recombinatie) molec. merkers 5/5 VS-lezing 2005 © PHHW

Fylogeografische analyses historische oorzaken voor genetische variatie bij soorten in een tweedimensionale ruimte (bijv. een land of een continent) verwantschapsrelaties weergeven in een sterpatroon meest frequent aanwezige haplotype het “oudste” Haplotypes binnen een populatie evenwicht tussen mutatie en “genetic drift” verlies van haplotypes door “drift”  “lineage sorting” snelheid grootst bij kleine populaties  meer “random losses” geschatte tijd voor “samensmelting” (“coalescence”)  leeftijd populatie gen. var. i/d ruimte 1/8 VS-lezing 2005 © PHHW

(genetische) diversiteit binnen populaties Science Connection juli 2005 (genetische) diversiteit binnen populaties veranderingen in het leefmilieu (“natural range”) aanpassingsvermogen a.g.v. genetische variabiliteit Uit: SC - juli 2005 . gen. var. i/d ruimte 2/8 VS-lezing 2005 © PHHW

kleiner worden van de populatie verlies (genetische) diversiteit juli 2005 1. genetische drift 2. bloedverwantschap versterking van het negatief effect 1. verlies allelen 2. meer homozygoten Uit: SC juli 2005 Uit: SC - juli 2005 gen. var. i/d ruimte 3/8 VS-lezing 2005 © PHHW

“Vicariance” en dispersie bepalen de “range” van een soort “vicariance” dispersie proces waarbij soorten en individuen ruimtelijk van elkaar worden gescheiden door gebeurtenissen in hun natuurlijke omgeving vermogen van een soort of populatie tot gebiedsuitbreiding naar voorheen al geoccupeerde gebieden, of verspreiding naar nieuwe gebieden veroorzaakt moeten door flessenhals situatie (“bottleneck”) beïnvloed de “gene flow” gen. var. i/d ruimte 4/8 VS-lezing 2005 © PHHW

Het effect van een barrière opsplitsing leefgebied  “gene flow” onmogelijk gescheiden populaties evolueren onafhankelijk van elkaar in gescheiden populaties identieke mutaties onwaarschijnlijk nieuwe haplotypes specifiek voor elke populatie verlies van bepaalde haplotypes  “lineage sorting” Ook binnen een regio kunnen er verschillen ontstaan populaties ver uit elkaar  “isolation by distance” a.g.v. drift fylogeografische patronen via clines  a.g.v. “gene flow” . gen. var. i/d ruimte 5/8 VS-lezing 2005 © PHHW

Genetische gevolgen van Pleistocene ijstijden leefgebieden van vele soorten gefragmenteerd overleven ijstijden in geïsoleerde refugia (zuiden van Europa) populaties in refugia zijn klein  kleine genetische diversiteit genetische differentiatie  “lineage sorting” en spontane mutaties rekolonisatie Noord-Europa na laatste ijstijd (18.000-22.000 jaar) rekolonisatieroutes van de Krasser (sprinkhaan; Chorthippus parallelus) vanuit de Zuid Europese refugia . gen. var. i/d ruimte 6/8 VS-lezing 2005 © PHHW

Fylogeografische grenszones postglaciale rekolonisatieprocessen binnen Europa overeenkomsten in fylogeografische patronen voor diverse soorten niet universeel  verschillende soorten verschillende refugia rekolonisatiesnelheid sterk verschillend (rugstreeppad vs. vogels) intraspecifieke hybridisatiezones grenszone dwars door Scandinavië samenvallen hybridisatiezones van de aardmuis, rosse woelmuis, bosspitsmuis, fitis, tjiftjaf en de mens vanuit twee richtingen (Den-Zwe en Lapland) genetisch signaal nu nog zichtbaar populaties Noord Europa  minder genetische diversiteit dan die dichter bij de refugia (“bottleneck”) . gen. var. i/d ruimte 7/8 VS-lezing 2005 © PHHW

Genetische relaties tussen en binnen populaties “nested-clade” analyse onderscheidt tussen historische en recente gebeurtenissen verdeling van afstammingslijnen kan analyseren testen van alternatieve fylogeografische hypothesen stambomen op basis van relaties tussen haplotypes grafische voorstelling van de evolutionaire analyse van de genetische variatie in de ruimte elke lijn een enkele mutatie interne “nodes” (0)  afgeleide haplotypes 1-, 2-, en 3-staps clades . gen. var. i/d ruimte 8/8 VS-lezing 2005 © PHHW

Invloed van geologische gebeurtenissen op biogeografische gebieden stijging van land  afsluiten van een zeeverbinding stijgen van de zeespiegel  openen van een doorgang ontstaan van nieuw land  vulkanische eilanden Ontstaan van vulkanische eilandketens nieuwe eilanden ontstaan aan de ene kant terwijl ze aan de andere kant verdwijnen  “volcanic conveyer belt” nieuwe eilanden worden vanaf de oudere eilanden worden gekoloniseerd  stapsteen model (“island hopping”) Drosophila soorten op de Hawaïaanse eilanden of de mariene en terrestrische leguanen van de Galápagos archipel . gen. var. i/d tijd 1/3 VS-lezing 2005 © PHHW

Genetische divergentie geologisch kalibreren genetische verschillen (“distance”) combineren met geologische of fossiele data tijdstip berekend waarop soorten divergeren snelheid van afstammingslijnen kalibreren fylogenetische bomen van tijdschaal voorzien meestal complexe analyses . gen. var. i/d tijd 2/3 VS-lezing 2005 © PHHW

Genetische divergentie in “real time” analyses met zowel oud (“ancient”) als nieuw (“vers”) DNA hoe ouder het staal hoe slechter het DNA mtDNA bijzonder geschikt  hoog “copy number” “ideale” stalen  koude en beschutte plaatsen (degradatie) meten van divergerende lijnen in “real time”  “ancient DNA” Holenbeer (Ursus spelaeus)  uitgestorven (~10.000 jaar) gefragmenteerd verspreidingsgebied binnen Europa en W-Azië. 12 “ancient DNA” stalen  tussen 26.500 en 49.000 jaar negen verschillende Europese grotten vergeleken met DNA stalen van huidige beren populaties ijsbeer en de bruine beer niet strikt gescheiden monofyletische groepen twee verschillende groepen bruine beren; de oostelijke en westelijke groep . gen. var. i/d tijd 3/3 VS-lezing 2005 © PHHW

Fylogeografie en taxonomische beslissingen classificatie op basis van morfologische kenmerken morfologische kenmerken voor meerdere interpretatie vatbaar vaak verschillen pas zichtbaar na moleculaire analyses niet relevant kenmerken ineen wel degelijk van betekenis bijzonder geschikt voor onderzoeken van “cryptische” soorten taxonomische beslissingen  over biogeografische regio’s heen enkele voorbeelden: gewone dwergvleermuis (Pipistrellus pipistrellus) in Europa  twee verschillende “groepen” (echolokalisatie 45 of 55 kHz)  divergentie 5-10 miljoen jaar geleden twee mossoorten (M. elongata en M. mielichhoferia) in de USA  sterke morfologische uniformiteit maskeert fylogenetische verwantschapsrelaties verwantschapsrelaties bij olifanten (Loxodonta africana en Elephas maximus)  vijf evolutionaire afstammingslijnen  drie verschillende clades: (1) bos olifanten van centraal Afrika, (2) bos en savanne olifanten van west Afrika, (3) savanne olifanten van oost, zuid en centraal Afrika. . . toepassingen 1/4 VS-lezing 2005 © PHHW

Bepalen van het natuurlijke gebied (“range”) van een soort soorten zijn bewust en onbewust verspreid  varkens, geiten, konijnen onbewust ook ander dieren o.a. ratten, muizen  scheepvaartroutes invloed op natuurlijke flora en fauna  uitsterven inheemse soorten fylogeografie  status van een soort; inheems of geïntroduceerd ? Uit: SC - juli 2005 Europese waterkikkers  clade van morfologisch gelijke taxa alle in het Engeland voorkomende waterkikkers  geïntroduceerd ? fylogeografische studie naar het voorkomen en de verspreiding in Engeland populaties uit Noorwegen, Zweden en Norfolk (Engeland)  monomorf andere populaties  polymorf (ook de in Engeland geïntroduceerde) inheemse Engelse populatie clusterde met de Scandinavische geïntroduceerde populatie clusterde met die uit oorsprongsgebied (W-Europa) in Engeland twee verschillende populaties aanwezig  populatie in Norfolk rond 1990 uitgestorven toepassingen 2/4 VS-lezing 2005 © PHHW

Achterhalen van de oorsprong van geïntroduceerde soorten oorsprongspopulatie van een soort bepalen brongebied van de invasieve soort kan achterhalen Rododendron (Rhododendron ponticum) als sierplant in de 19e eeuw geïntroduceerd op de Britse Eilanden zeer invasieve soort  bedreigt lokale flora eerste introductie in 1763  planten uit ZW-Spanje later meerdere introducties  Zwarte Zee gebied RFLP analyses op 260 planten (alle gebieden) vrijwel alle Rododendrons op de Britse eilanden afkomstig van Iberische populaties bovendien 89% van de haplotypes afkomstig uit de Spaanse regio en 10% uniek voor de Portugese regio . toepassingen 3/4 VS-lezing 2005 © PHHW

Fylogeografie en adaptieve “traits” fylogeografie  geografische distributie van neutrale merkers oorsprong en verspreiding van adaptieve eigenschappen onderzoeken geografische distributie van gedragskenmerken vergelijken met fylogeografische patronen eigenschappen en fylogeografie zelfde patroon  historische gebeurtenissen sterkere invloed op evolutie en distributie dan selectie twee typen van “flash” communicatie bij Japanse vuurvliegjes RFLP analyse COII gen  19 verschillende haplotypes, elk specifiek voor bepaalde gebied 3 evolutionaire lijnen (clade I, II, III) scheiding type I en II  breukzone genaamd Fossa Magna grens tussen III en I + II  zeestraat tussen eilanden K + HS scheiding tussen de populatie  “vicariance” indicaties dat splitsing tussen beide “flash” types is ontstaan in het Plioceen (tussen de 4,6 en 2.0 miljoen jaar geleden) . toepassingen 4/4 VS-lezing 2005 © PHHW

Fylogeografie en evolutiereconstructie …… Bedankt voor uw aandacht Slot 1/1 VS-lezing 2005 © PHHW

Extra 1/3 VS-lezing 2005 © PHHW

Extra 2/3 VS-lezing 2005 © PHHW

Extra 3/3 VS-lezing 2005 © PHHW