Phylogenomic and population history inference using ancient DNA

Abstract

Evolutionsstudien haben sich die enorme Menge genomischer Daten zunutze gemacht, die nach der Revolution der Next-Generation-Sequencing Plattformen generiert wurden. Dieses Momentum ging einher mit bedeutenden Entwicklungen bei der DNA-Isolation, Protokollen zur Herstellung von Sequenzier-Bibliotheken, sowie einem stetigen Anstieg der Rechenkapazität für die Verarbeitung großer Datensätze. Da Evolution die Untersuchung der Akkumulation genetischer Variation über die Zeit ist, kann der direkte Zugang zu Momentaufnahmen genetischer Variation in verschiedenen historischen Perioden die Genauigkeit und das Verständnis evolutionärer Rückschlüsse bemerkenswert erhöhen. Dies wurde durch die Sequenzier-Revolution ermöglicht, da nun der technischen Zugang zu Genomen alter und historischer Proben, z.B. subfossiler Aufzeichnungen, Museumspräparate und Herbariumsbelege, erschlossen wurde. Durch die Studie sogenannter ‘ancient DNA’ (alter DNA) aus verschiedenen Quellen habe ich die phylogenomische Verwandtschaft und die demographische Geschichte in zwei verschiedenen Systemen untersucht. Zum einen nutzte ich Museumspräparate ausgestorbener Oryctes-Skarabäuskäfer aus den Maskarenen um in Kombination mit frischen Präparaten und den daraus ermittelten hochwertigen Genom-Assemblierungen deren phylogenomische Verwandtschaft zu untersuchen. Dies erlaubte mir erstmalig, die evolutionären Beziehungen zwischen diesen Käfern mit Hilfe der molekularen Phylogenetik sowie D-Statistiken zu beschreiben. Darüber hinaus entdeckte ich auf der Grundlage dieser Rekonstruktion zwei vermutlich unabhängige Kolonisationen der Insel Reunión durch diese Käfergattung, platzierte eine zuvor nicht zur Gruppe gehörende Art innerhalb der Gattung, und terminierte den Verlust ihrer Flugfähigkeit und ihres Zwergwuchses auf einen Zeitraum nach der Kolonisierung. Diese Ergebnisse sind wegweisend für die Verwendung von ‘ancient DNA’ aus Museumspräparaten ausgestorbener Arten bei der Untersuchung der Phylogenomik von Insekten. Darüber hinaus habe ich die Populationsstruktur und die demographische Geschichte des Reisbohrpilzes Magnaporthe oryzae studiert. Dazu nutze ich eine zeitliche Serie von herbarisierten infizierten Reisblättern und die daraus entschlüsselten Genome zusammen mit einem globalen Datensatz. Ich konnte zeigen, dass die aktuelle Populationsstruktur des Pilzes in drei pandemische klonale Linien aufgeteilt ist, sowie in ein Cluster rekombinierender Individuen nahe des postulierten Ursprungszentrums. Anhand der Herbariumsbelege konnte ich die Entstehung der pandemischen klonalen Linien auf vor weniger als 400 Jahre abschätzen. Durch die Untersuchung des Repertoires von Effektorgenen in den untersuchten Genomen konnte ich zeigen, dass verschiedene Muster ihres Verlusts und Gewinns mit den verschiedenen klonalen Linien assoziiert sind. Diese Effektorgene können nun funktionell untersucht werden bezüglich ihrer Auswirkung auf die Fitness des Pathogens.

Evolutionary studies have taken advantage of the massive amount of genomic data produced after the revolution of the next generation sequencing platforms. This momentum has been accompanied by major developments in DNA isolation methods, library preparation protocols and a steady increase in computational capacity to handle big datasets. Because evolution is the study of the accumulation of genetic variation through time, the direct access to snapshots of genetic variation through different historical periods can remarkably increase the accuracy and understanding of evolutionary inferences. Ancient DNA research has profited from the sequencing revolution by enabling the technical access to the genomes of ancient and historical sources e.g., subfossil records, museum specimens and herbarium samples. Making use of ancient DNA sources, I investigated the phylogenomic relationships and demographic histories in two different systems. First, with the combined use of extinct pinned insect museum specimens and high-quality sequenced reads and assemblies derived from present-day specimens, I sought to investigate the phylogenomic relations between the Oryctes scarab beetles in the Mascarene islands. For the first time, I ascertained the evolutionary relationships among those beetles using molecular phylogenetics and site patterns-based D-statistics. Moreover, and based on this reconstruction, I discovered two likely independent colonization events in the Reunión island and, a post-colonization case of dwarfism and loss of flight ability in one of the species, before classified as an outgroup. These results pave the way on the use of ancient DNA and extinct museum specimens in the study of insect phylogenomics as one of the most biologically important yet underrepresented taxa. Additionally, I analyzed the population structure and demographic history of the rice blast fungus Magnaporthe oryzae. By combining the temporal resolution of genomes from infected rice leaf herbarium samples together with a worldwide dataset, I showed that the current population structure of the pathogen is grouped in three pandemic clonal lineages and a cluster of recombining individuals mainly grouped in their likely centre or origin. With the use of the herbarium samples, I estimated the time of origin of the pandemic clonal lineages to less than 400 years ago. Finally, by inspecting the repertoire of effector genes of the isolates, I showed different patterns of loss and gains of effector genes associated with the different clonal lineages. This work opens the way to functional tests about the role of effector gains and loss through time and their effect on the overall pathogen fitness.