Von Genomen zur Makroevolution: Entwicklung von phylogenetischen Methoden zur Genbaum, Speziesbaum und Divergenzraten Schätzung

• Antragsteller: Dr. Sebastian Höhna
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Evolution, Anthropologie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401011686

Eine bedeutende Frage der Makroevolution ist, welche Prozesse und Faktoren die heutige Biodiversität geprägt haben. Insbesondere interessiert uns, wie sich die Diversifizierungsraten im Lauf der Zeit und/oder zwischen Arten verändern und ob diese Veränderungen mit extrinsischen (z. B. ökologischen) oder intrinsischen (z.B. phänotypischen) Faktoren korrelieren. Um diese Fragen zu beantworten, hätten wir im Idealfall eine vollständige Fossilienaufzeichnung, welche die genaue zeitliche Biodiversität für jede Artengruppe dokumentiert. Da aber nur lückenhafte Fossilienaufzeichnungen vorhanden sind, sind alternative Ansätze erforderlich. In diesem Projekt werden ich mathematische und Computer-basierte phylogenetische Methoden für Arten-Diversifizierungsprozesse entwickeln, welche zuerst zeitlich kalibrierte Phylogenien aus genomischen Daten berechnen und anschließend Diversifizierungsmuster schätzen. Es gibt viele publizierte Genomsequenzen, welche allerdings heterogen sind, d.h. verschiedene Gene haben unterschiedliche Genbäume und unterliegen unterschiedlichen Substitutionsprozessen. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen bei phylogenetische Analysen. Meine vorläufigen Analysen zeigen, dass Schätzungen von Genbäumen mit aktuellen Modellen nicht robust sind. (1) Im ersten AP konzentriere ich mich auf die Entwicklung komplexerer und realistischerer Substitutionsmodelle, sowie auf die Entwicklung statistischer Verfahren zur Prüfung bestehender Modelle zur Gen-Baum-Schätzung. (2) Im zweiten AP werde ich neue Methoden zur Schätzung von Phylogenien aus tausenden von Genbäumen entwickeln. Aktuelle Methoden verwenden entweder ungenaue Approximationen oder können nur sehr wenige Loci für die Berechnung von Phylogenien nutzen. Ich werden einen Importance-Sampling-Ansatz verwenden, der äquivalent zu exakten Verfahren ist, und auf großen Computerclustern implementiert werden kann, was mir die Nutzung genomischer Daten ermöglicht. Nachdem ich die Phylogenie berechnet habe, werde ich mathematische Modelle verwenden, um zeitliche und zwischenartliche Diversifizierungsraten zu berechnen. Daran schließt sich das dritte AP an, in dem ich mich auf die Entwicklung geeigneter mathematischer Modelle für die Diversifizierungsratenschätzung fokussiere. (3) Im Detail werde ich Modelle für artenspezifische und zustandsabhängige Diversifizierungsraten herleiten. Zusammen mit meiner bisherigen Arbeit über zeitliche Diversifizierungsraten werden mir diese Modelle ermöglichen zu testen, ob extrinsisch oder intrinsisch Faktoren einen größeren Einfluss auf die Diversifizierung haben. Zusammenfassend werden meine drei vorgeschlagenen Arbeitsprogramme vorhandene genomische Daten verwenden, um Phylogenien unter Berücksichtigung der Variabilität von Genbäumen sowie der Heterogenität der molekularen Evolution zu schätzen. Die resultierenden Phylogenien werden die Identifizierung von komplexen Artendiversifizierungsprozessen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen