SPP 1590:  Probabilistic Structures in Evolution

• Subject Area: Mathematics
• Term: from 2012 to 2020
• Website: Homepage
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 198501163

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Das Schwerpunktprogramm ‘Probabilistische Strukturen in der Evolution’ war dem vertieften theoretischen Studium der stochastischen Prozesse der Populationsgenetik und der Populationsdynamik gewidment. Dabei beschreibt Populationsgenetik die Evolution auf der Ebene individueller Genotypen in Populationen unter der Einwirkung verschiedener evolutionärer Kräfte; Populationsdynamik ist das Gegenstück auf der Ebene der Phänotypen und eng mit Konzepten der Spieltheorie verknüpft, die kooperatives und kompetitives Verhalten verschiedener Akteure beschreibt. Ein gemeinsamer Anker für beide Theorien ist das Konzept der zufälligen Genealogien von Individuen. Evolution ist ein komplexes Phänomen, das von Prozessen wie Mutation und Rekombination des genetischen Materials, Reproduktion von Individuen und Selektion vorteilhafter Typen getrieben wird. Das Verständnis des Zusammenspiels dieser Faktoren erfordert die substantielle Verwendung mathematischer Modelle und Methoden. Im Laufe des SPP ist es insbesondere gelungen, • die Struktur zufälliger Fitnesslandschaften zu charakterisieren und die ‘Bewegung’ von Individuen innerhalb dieser Landschaften durch Mutation und Reproduktion zu verstehen; • die stochastischen Modelle der Populationsgenetik und Populationsdynamik in Vorwärtsrichtung der Zeit erheblich weiterzuentwickeln und ihr Verständnis zu vertiefen. Dies reichte von Modellen der experimentellen Evolution über Wirts-Parasit-Koevolution bis zu Modellen der adaptiven Dynamik; • Konzepte, Methoden und Resultate für zufällige Genealogien in stochastischen Populationsmodellen entscheidend zu erweitern. Hier konnte — weit über die üblichen Standardannahmen und Prototypmodelle hinaus — auch der Einfluss von hochgradig asymmetrischen Nachkommenverteilungen (die zu Genealogien mit multiplen Verschmelzungen führen), von Dormanz (wie sie im Kontext mit Samenbanken auftritt), von räumlicher Struktur, von Konkurrenz und Symbiose von Individuen, sowie von Rekombination und Selektion analysiert werden; • kombinatorische, topologische und algebraische Eigenschaften von (genealogischen) Bäumen zu analysieren.

Publications

• An ancestral recombination graph for diploid populations with skewed offspring distribution, Genetics 193 (2013), 255–290
  Birkner, Matthias; Blath, Jochen & Eldon, Bjarki
  
• Directed random walk on an oriented percolation cluster, Electron. J. Probab. 18 (2013), paper no. 80, 35 pp.
  Birkner, Matthias; Cerny, Jiri; Depperschmidt, Andrej & Gantert, Nina
  
• The effect of single recombination events on coalescent tree height and shape, PLoS One 8 (2013), e60123
  Ferretti, Luca; Disanto, Filippo & Wiehe, Thomas
  
• Speed of adaptation and genomic a footprints of host-parasite coevolution under arms race and trench warfare dynamics, Evolution 68 (2014), 2211-2224
  Tellier, Aurélien; Moreno-Gámez, Stefany & Stephan, Wolfgang
  
• The evolving beta coalescent, Electron. J. Probab. 19 (2014), 1–27
  Kersting, Götz; Schweinsberg, Jason & Wakolbinger, Anton
  
• A mixing tree-valued process arising under neutral evolution with recombination, Electron. J. Probab 20 (2015), paper no. 94, 22 pp.
  Depperschmidt, Andrej; Pardoux, Étienne & Pfaffelhuber, Peter
  
• An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems, Nat. Rev. Microbiol. 13 (2015), 722–736
  Makarova, Kira S.; Wolf, Yuri I.; Alkhnbashi, Omer S.; Costa, Fabrizio; Shah, Shiraz A.; Saunders, Sita J.; Barrangou, Rodolphe; Brouns, Stan J. J.; Charpentier, Emmanuelle; Haft, Daniel H.; Horvath, Philippe; Moineau, Sylvain; Mojica, Francisco J. M.; Terns, Rebecca M.; Terns, Michael P.; White, Malcolm F.; Yakunin, Alexander F.; Garrett, Roger A.; van der Oost, John; ... & Koonin, Eugene V.
  
• Can the site-frequency spectrum distinguish exponential population growth from multiple-merger coalescents?, Genetics 199 (2015), 841–856
  Eldon, Bjarki; Birkner, Matthias; Blath, Jochen & Freund, Fabian
  
• Looking down in the ancestral selection graph: A probabilistic approach to the common ancestor type distribution, Theor. Popul. Biol. 103 (2015), 27–37
  Lenz, Ute; Kluth, Sandra; Baake, Ellen & Wakolbinger, Anton
  
• Repeatability of evolution on epistatic landscapes, Scientific Reports 5 (2015), article no. 9607
  Bauer, Benedikt & Gokhale, Chaitanya S.
  
• A new coalescent for seed-bank models, Ann. Appl. Probab. 26 (2016), 857–891
  Blath, Jochen; González Casanova, Adrián; Kurt, Noemi & Wilke-Berenguer, Maite
  
• Collective fluctuations in the dynamics of adaptation and other traveling waves, Genetics 202 (2016), 1201–1227
  Hallatschek, Oskar & Geyrhofer, Lukas
  
• Continuum space limit of the genealogies of interacting Fleming-Viot processes on Z, Electron. J. Probab. 21 (2016), paper no. 58, 64 pp.
  Greven, Andreas; Sun, Rongfeng & Winter, Anita
  
• Haldane linearisation done right: Solving the nonlinear recombination equation the easy way, Discrete Contin. Dyn. Syst. 36 (2016), 6645–6656
  Baake, Michael & Baake, Ellen
  
• The influence of space and time on the evolution of altruistic defence: the case of ant slave rebellion, J. Evol. Biol. 29 (2016), 874–886
  Metzler, D.; Jordan, F.; Pamminger, T. & Foitzik, S.
  
• The scaling limit of the interface of the continuous-space symbiotic branching model, Ann. Probab. 44 (2016), 807-866
  Blath, Jochen; Hammer, Matthias & Ortgiese, Marcel
  
• From stochastic, individual-based models to the canonical equation of adaptive dynamics in one step, Ann. Appl. Probab. 27 (2017), 1093–1170
  Baar, Martina; Bovier, Anton & Champagnat, Nicolas
  
• A new look at duality for the symbiotic branching model, Ann. Probab. 46 (2018), 2800–2862
  Hammer, Matthias; Ortgiese, Marcel & Völlering, Florian
  
• Coalescent results for diploid exchangeable population models, Electron. J. Probab. 23 (2018), paper no. 49, 44 pp.
  Birkner, Matthias; Liu, Huili & Sturm, Anja
  
• The hierarchical Cannings process in random environment. ALEA Lat. Am. J. Probab. Math. Stat. 115 (2018), paper no. 1, 295–351
  Greven, Andreas; den Hollander, Frank & Klimovsky, Anton
  
• Trait-dependent branching particle systems with competition and multiple offspring
  G. Berzunza, A. Sturm und A. Winter
  
• Universality classes of interaction structures for NK fitness landscapes, J. Stat. Phys. 172 (2018), 226–278
  Hwang, Sungmin; Schmiegelt, Benjamin; Ferretti, Luca & Krug, Joachim
  
• Coalescing directed random walks on the backbone of a 1+1-dimensional oriented percolation cluster converge to the Brownian web, ALEA Lat. Am. J. Probab. Math. Stat. 16 (2019), 1029–1054
  Birkner, Matthias; Gantert, Nina & Steiber, Sebastian
  
• Evolving phylogenies of trait-dependent branching with mutation and competition. Part I: Existence, Stoch. Processes Appl. 129 (2019), 4837–4877
  Kliem, Sandra & Winter, Anita
  
• Inference of recombination maps from a single pair of genomes and its application to ancient samples, PLOS Genetics 15 (2019), e1008449
  V. Barroso, Gustavo; Puzović, Nataša & Dutheil, Julien Y.
  
• Lookdown constructions of symbiotic branching processes, Doktorarbeit, Universität Mainz, 2019
  Fridolin Kielisch
  
• Modelling and simulating Lenski’s long-term evolution experiment, Theor. Popul. Biol. 127 (2019), 58–74
  Baake, Ellen; González Casanova, Adrián; Probst, Sebastian & Wakolbinger, Anton
  
• Neutral genomic signatures of host-parasite coevolution, BMC Evol. Biol. 19 (2019)
  živković, Daniel; John, Sona; Verin, Mélissa; Stephan, Wolfgang & Tellier, Aurélien
  
• The evolving Moran genealogy, Theor. Popul. Biol. 130 (2019), 94–105
  Wirtz, Johannes & Wiehe, Thomas
  
• Tree lengths for general Λ-coalescents and the asymptotic site frequency spectrum around the Bolthausen–Sznitman coalescent, Ann. Appl. Probab. 29 (2019), 2700–2743
  Diehl, Christina S. & Kersting, Götz
  
• Convergence of metric two-level measure spaces, Stoch. Processes Appl. 130 (2020), 3499–3539
  Meizis, Roland
  
• Genealogical distances under low levels of selection, Theor. Popul. Biol. 131 (2020), 2–11
  Huss, Elisabeth & Pfaffelhuber, Peter
  
• Multiple merger genealogies in outbreaks of Mycobacterium tuberculosis, Mol. Biol. Evol. 38 (2021), 290–306
  Menardo, Fabrizio; Gagneux, Sébastien & Freund, Fabian
  
• Propagation of chaos and the many-demes limit for weakly interacting diffusions in the sparse regime, Ann. Appl. Probab. 30 (2020), 2311–2354
  Hutzenthaler, Martin & Pieper, Daniel
  
• Solving the selection-recombination equation: Ancestral lines under selection and recombination, arXiv
  F. Alberti und E. Baake
  
• The parabolic Anderson model on a Galton-Watson tree, arXiv
  F. den Hollander, W. König und R. S. dos Santos
  
• Longtime asymptotics of the two dimensional parabolic Anderson model with white-noise potential, arXiv
  W. König, N. Perkowski und W. van Zuijlen