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Molekulargenetische Untersuchung in der Gruppe der Möwen (Laridae) zur Erforschung der Verwandtschaftsbeziehungen und phylogeographischer Differenzierung

  • Ziel meiner Arbeit war es, die evolutionären Beziehungen innerhalb und zwischen den verschiedenen Arten der Möwen (Laridae) genauer zu untersuchen. Der Großteil der Untersuchungen in dieser Arbeit basiert auf DNA-Sequenzen - mitochondriale Regionen sowie nukleare Intronequenzen. Bei einem molekulare n Ansatz wie in meiner Arbeit ist es von enormer Wichtigkeit, einen umfassenden und nicht zu kleinen Datensatz zu behandeln. Dabei wurde auch darauf geachtet, dass die ausgewählten Sequenzen homolog sind und das Alignment robust ist. Meine Arbeit gliedert sich in sechs Schwerpunkte, auf die ich nun näher eingehen möchte. 1. Phylogenie der Möwen Die vorliegende Arbeit erreichte das gesetzte Ziel einer verbesserten Phylogenierekonstruktion in den Laridae und zeigt deutlich die Mängel der bisherigen molekularer Studien (mit zu wenigen Taxa oder zu kleinen und uninformativen Datensätzen). Sicher bestätigt werden kann in dieser Studie die Unterteilung in eine basale Möwengruppe, bestehend aus sieben Gattungen, sowie der Gattung Larus mit sechs voneinander genetisch differenzierten Gruppen. Eine gute Stützung erfahren alle Gruppen der Larus-Gattung. Schwerer ist aber erwartungsgemäß die genauere Erstellung der Verwandtschaftsbeziehungen der jüngsten Taxa. Zu ihrer Abgrenzung werden weitere Marker benötigt. Entdeckt wurde in der Studie ein Signal (Deletion in den LDH - Sequenzen), das entscheidend zur Bestimmung der Gruppenmitglieder der basalen, nicht-Larus Möwengattungen beiträgt. 2. AFLP-Untersuchung in der Gruppe der Großmöwen Bei der von Vos et al. (1995) entwickelten Methode der AFLP (engl. für amplified fragment length polymorphism)-Analyse ist kein Vorwissen der untersuchten Gen(om)sequenz notwendig. Es gelang mit der AFLP-Untersuchung dieser Arbeit die sieben untersuchten Großmöwentaxa voneinander autosomal zu differenzieren und drei mitochondrial biphyletisch auftretenden Taxa (argentatus, hyperboreus und marinus) zu näher zu charakterisieren. Die Eismöwe (hyperboreus) erhielt ihre Clade 1 - Haplotypen von argentatus-Individuen aus Nordeuropa und die Mantelmöwe (marinus) ihre Clade 2 - Haplotypen von nordamerikanischen Arten, vermutlich smithsonianus. Die europäischen Silbermöwen (argentatus) zeigen beide mitochondrialen Clades in allen untersuchten Kolonien mit einem geographischen Gradienten in deren Verteilung. Hier scheinen Vorläufer der Heringsmöwen ihre Clade 2 Mitochondriengenome in die argentatus-Populationen eingebracht zu haben, die anschließend in einer sekundären Ausbreitungswelle über das vollständige Verbreitungsgebiet verteilt wurden. Autosomal erscheinen sogar vier Genlinien, die auf noch mehr Ausbreitungswellen verweisen. 3. Populationsstudien in Dominikanermöwen (L. dominicanus) Nach einer Publikation von Jiguet (2002) werden bei Dominikanermöwen vier Unterarten unterschieden. Die in dieser Arbeit ermittelten Sequenzen der Gene Cyt b, ND 2 und HVR I zeigen eine klare Differenzierung der untersuchten Kolonien. Die Ursprünge der Dominikanermöwen liegen demnach in Südafrika. Von dort erfolgte die Besiedlung von Argentinien, der Kerguelen-Inseln und der Antarktis in mehreren Ausbreitungswellen. In Chile wurde der südamerikanische Kontinent in einem sehr rezenteren Migrationsereignis zum zweiten Mal kolonisiert. Die dort gefundenen Haplotypen sind den südafrikanischen noch sehr ähnlich. Am jüngsten sind die Populationen Neuseelands und der Chatham-Inseln. 4. Populationsstudie in der Sturmmöwe (L. canus) Ganz anders zeigte sich die genetische Differenzierung für dieselben Gene bei der Sturmmöwe (L. canus) und ihren phänotypisch deutlich unterscheidbaren vier Unterarten. Im mitochondrialen Netzwerk bilden die paläarktischen Taxa canus, heinei und kamtschatschensis eine panmiktische Population. Anders das vierte Taxon brachyrhynchus. Dieses nordamerikanische Taxon unterscheidet sich mitochondrial signifikant von den paläarktischen Individuen. 5. und 6. SNP-Analyse in Großmöwen und Ausblick auf geplante weiterführende Untersuchungen Das Detektieren variabler Nukleotidpositionen (Punktmutationen), die SNPs genannt werden, ist von grundlegender Bedeutung für die weitere Untersuchung der molekularen Evolution. In Rahmen dieser Arbeit wurden 32000 Fragmente mittels der CROPS-Analyse untersucht, dabei wurden in 7400 variablen Fragmenten 11000 SNPs gefunden, 24000 Fragmenten ließen keinerlei genetische Variationen erkennen. Somit zeigt sich in eine Rate von einer variablen Position (SNP) in ~500 Nukleotiden, was mit denen in Säugetieren und Menschen vergleichbar ist. Zukünftig mit diesem umfangreichen Basiswissen eine groß angelegte SNP-Typisierung geplant mit dem Ziel autosomale und sexchromosomale SNPs vergleichend zu analysieren. Des Weiteren können die SNP-Daten auch mit mitochondrialen Daten verglichen werden.
  • The aim of this study is to investigate evolutionary relations in and between the different species of sea gulls (Laridae) more clearly. This investigation on gull relationship is based on DNA-sequences - mitochondrial regions as well as nuclear intron sequences. With a molecular approach in my study the use of broad ranged and not to small data sets is of essential importance. Also consideration of homolog sequences and robustness in the total alignments were done. The study is a conclusion of six main topics: 1. Phylogeny of gulls This study shows a clearly improved larid phylogeny revealing deficiencies of previous studies (small taxon sampling and small / uninformative data sets). Based on my results it can be accepted that a split in basic gulls (seven genera), and genus Larus (six genetically differentiated sub groups) can be made. Good supports were obtained for all six Larus sub groups. As expected the relations in the youngest group of large white headed gulls could not be clarified in this topic using the sequence data. To better resolve their assemblage other molecular markers has to be find and used. Important was the occurrence of a signal connecting the basic gull taxa together – a deletion in LDH-sequences. It will heplto find further suspected group members I was not able to investigate in my study. 2. AFLP-study in large white-headed gulls Vos et al. (1995) designed the method of AFLP (amplified fragment length polymorphism) on which no previous knowledge of the taxon genome is necessary to obtain results. Using AFLPs I analysed seven large gull taxa to compare mitochondrial and autosomal pattern including three known mitochondrial biphyletic species (argentatus, hyperboreus and marinus). The results confirmed mitochondrial introgression for all three species as reason for the strange genetic pattern. Glaucous gull (hyperboreus) obtained mitochondrial clade 1 haplotypes by argentatus-individual from northern Europe during invasion the European regions. Great black-backed gull (marinus) “cached” clade 2 haplotypes during settlement in northern America due to hybridisation with American species most possible smithsonianus. European herring gulls (argentatus) also show the biphyletic pattern of having clade 1 and 2 haplotypes in every investigated breeding colony. Here a geographical gradient show more clade 1 birds in the northern areas whereas in the southern distribution more clade 2 sequences were found. Ancient lesser black-backed gulls transferred clade 2 mitochondrial genomes in argentatus populations and from there the extension all over the distribution area occurred in secondary expansion. Autosomal four gene lines were revealed indicating continuously ongoing gene flow expansion routes. 3. Population study in Kelp gull (L. dominicanus) Published by Jiguet (2002) kelp gulls are distinguished in four sub species. This population study is based on the mitochondrial gene sequences of Cyt b and ND 2 as well as control region (HVR I). Results show clear differentiation between investigated colonies. The origin of kelp gulls can be located in southern Africa. In first expansion kelp gull settled on Argentinean coasts followed up by Kerguelen Islands and later on coasts of the Antarctic continent. With invasion of Chilean costal areas the South American continent was conquered for a second time in a more recent migration event. Chilean and South African populations even today share same mitochondrial haplotypes yet. As the youngest settlements kelp gull populations of New Zealand and Chatham Island were detected. Gulls of the Australian continent were not investigated but have to be part of this latest expansion movement. 4. Population study in Mew gull (L. canus) In opposite to the kelp gull study in mew gull (L. canus) subspecies a total different genetically differentiation based on the same gene sequences were obtained. Phenotypically four subspecies are described. The resulting network reveals that the three Palearctic canus, heinei and kamtschatschensis form a panmictic population whereas the fourth taxon brachyrhynchus distinguishes significant from the other taxa. Therefore I suggest handling brachyrhynchus as a distinct separated species. 5. SNP analysis in large gulls and 6. Future prospective Detecting variable nucleotide positions (SNPs) is a basic need to explain molecular evolution. Therefore the study determined 32000 Fragments using CROPS (complexity reduction of polymorphic sequences). In total 7400 variable Fragments containing 11000 SNPs were detected, 24000 Fragments showed no genetic variation. On that basis a SNP ratio can be set for one SNP in every 500 nucleotides – as is found also in mammals as well as humans. As Future prospective the new knowledge of variable positions will be used for intensified SNP typing to compare autosomal vs. sex chromosomal SNPs as well as improve comparison of mitochondrial an autosomal data.

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Metadaten
Author: Viviane Sternkopf
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000980-8
Title Additional (German):Molekulargenetische Untersuchung in der Gruppe der Möwen (Laridae) zur Erforschung der Verwandtschaftsbeziehungen und phylogeographischer Differenzierung
Title Additional (English):Molecular Analysis in sea gulls (Laridae) to reveal genetically relationship and phylogeographic differentiation
Advisor:Prof. Dr. Klaus Fischer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/05/19
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2011/05/06
Release Date:2011/05/19
Tag:AFLP, Evolution, Möwen, Phylogenie, SNP
AFLP, SNP, evolution, phylogeny, sea gulls
GND Keyword:AFLP, Möwen, Phylogenie, Populationsgenetik, SNP
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Zoologisches Institut und Museum
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 590 Tiere (Zoologie)