Universität zu Köln

Rahnamae, Neda ORCID: 0009-0005-1607-0323 (2025). Genetic architecture of phenotypic differences between endangered hybridizing Arabis floodplain species. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Deciphering the genetic basis of ecological differences among hybridizing species is essential for predicting their adaptive responses to climate change and human activities. Previous studies identified a hybridization hotspot on the Rhine River, highlighting episodic gene flow between Arabis nemorensis and A. sagittata. I quantified interspecific differences in 22 phenotypic traits between these closely related species. To investigate the genetic architecture underlying these differences, I constructed a genetic map for A. nemorensis and A. sagittata using an interspecific F2 population of 742 individuals derived from reciprocal crosses of sympatric parents. The genetic map, comprising 2,082 SNPs across eight linkage groups, provided a genetically validated genome assembly for both species. Using this map, I identified the genetic basis of 20 phenotypic traits, uncovering 58 quantitative trait loci (QTLs) distributed across the genome. Analysis of fertility variation and segregation distortions revealed six large-effect QTLs associated with significant fitness loss in hybrids. While F2 hybrids generally exhibited lower seed production than parental lines, some hybrids displayed extreme trait values and patterns of transgressive segregation. Incompatibility QTLs had a simple genetic basis, and several ecologically relevant QTLs were independent of incompatibility loci, indicating potential for hybrid offspring to combine novel trait combinations absent in either parent. Fine mapping of the largest-effect QTL, associated with flowering time and explaining 23% of phenotypic variation, conducted on 410 F3 individuals, identified TFL1 as a regulator close to age pathway, excluding FLC and CO as contributors within this QTL region. Lastly, contrary to our expectations, A. nemorensis showed a larger biomass. Also unexpectedly, the root-to-shoot ratio did not differ significantly between the species. These observations suggest potential genetic similarities in their nutrient allocation strategies. However, I recommend further experiments under varying soil conditions to validate these findings.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Entschlüsselung der genetischen Grundlagen ökologischer Unterschiede zwischen hybridisierenden Arten ist wesentlich, um ihre adaptiven Reaktionen auf den Klimawandel und menschliche Aktivitäten vorherzusagen. Frühere Studien identifizierten einen Hybridisierungshotspot am Rhein, der episodischen Genfluss zwischen Arabis nemorensis und A. sagittata hervorhebt. Ich quantifizierte interspezifische Unterschiede in 22 phänotypischen Merkmalen zwischen diesen eng verwandten Arten. Um die genetische Architektur, die diesen Unterschieden zugrunde liegt, zu untersuchen, erstellte ich eine genetische Karte für A. nemorensis und A. sagittata unter Verwendung einer interspezifischen F2-Population von 742 Individuen, die aus reziproken Kreuzungen sympatrischer Eltern abgeleitet wurden. Die genetische Karte, die 2.082 SNPs über acht Kopplungsgruppen umfasst, lieferte eine genetisch validierte Genomassemblierung für beide Arten. Mit dieser Karte identifizierte ich die genetische Basis von 20 phänotypischen Merkmalen und entdeckte 58 quantitative Trait-Loci (QTLs), die über das Genom verteilt sind. Die Analyse der Fruchtbarkeitsvariation und der Segregationsverzerrungen zeigte sechs QTLs mit großer Wirkung, die mit signifikanten Fitnessverlusten bei Hybriden assoziiert sind. Während F₂-Hybriden im Allgemeinen eine geringere Samenproduktion als die Elternlinien aufwiesen, zeigten einige Hybriden extreme Merkmalswerte und Muster transgressiver Segregation. Inkompatibilitäts-QTLs hatten eine einfache genetische Grundlage, und mehrere ökologisch relevante QTLs waren unabhängig von Inkompatibilitätsloci, was auf das Potenzial der Hybridnachkommen hinweist, neuartige Merkmalskombinationen zu kombinieren, die in keinem der Eltern vorhanden sind. Die Feinkartierung des QTL mit der größten Wirkung, das mit der Blütezeit assoziiert ist und 23 % der phänotypischen Variation erklärt, durchgeführt an 410 F3-Individuen, identifizierte TFL1 als Regulator nahe dem Altersweg und schloss FLC und CO als Beitragende innerhalb dieser QTL-Region aus. Letztlich zeigte A. nemorensis entgegen unseren Erwartungen eine größere Biomasse. Auch unerwartet unterschied sich das Wurzel-Spross-Verhältnis zwischen den Arten nicht signifikant. Diese Beobachtungen deuten auf potenzielle genetische Ähnlichkeiten in ihren Strategien zur Nährstoffverteilung hin. Allerdings empfehle ich weitere Experimente unter unterschiedlichen Bodenbedingungen, um diese Ergebnisse zu validieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rahnamae, Neda nrahnama123@gmail.com orcid.org/0009-0005-1607-0323 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-789487
Date:	2025
Place of Publication:	Cologne, Germany
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language introgression English RAD sequencing English QTL mapping English incompatibilities English TFL1 English PhD thesis English Plants English
Date of oral exam:	5 February 2025
Referee:	Name Academic Title de Meaux, Juliette Prof. Dr. Coupland, George Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/78948