Part A: Eine Hypothese der Verwandtschaft von Primaten anhand von morphologischen Merkmalen

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1 Ihre Namen: Übung 3: Phylogenetik II: Übungsaufgaben This exercise will help youin dieser Übung werden Sie lernen: dass phylogenetische Bäume testbare Hyptohesen sind wie evolutionäry Abstammung anhand von gemeinsamen Merkmalen berechnet wird wie parsominische Analysen zur berechnung von phylogenetischen Stammbaumen benutzt wird wie Sie phylogenetische Bäume lesen und vergleichen wie Sie mit wissenschaftlicher arbeiten Part A: Eine Hypothese der Verwandtschaft von Primaten anhand von morphologischen Merkmalen 1) Die folgende Charaktermatrix enthält ausgewählte Merkmale einer Vielzahl von Primatenarten. Vervollständigen Sie die Matrix anhand der Informationen in den Charakterbeschreibungen und online unter eskeletons.org. Klicken Sie auf der eskeletons-website auf die Registerkarte "Vergleichende Anatomie" in der Menüleiste. Sie werden auf eine geleitet, auf der Sie einen bestimmten Knochen aus vielen Ansichten betrachten können, um Vergleiche zwischen Taxa anzustellen. Alternativ können Sie auf jedes der Bilder der Spezies klicken und dann auf den Knochen klicken, den Sie erforschen möchten. Die folgenden Abbildungen zeigen die anatomischen Ebenen und Richtungen. Taxon Character Solendon Chimpanzee Galago (Lesser Bushbaby) Gibbon Gorilla Human Lemur (any) Marmoset Orangutan Tarsier Osseous auditory canal. 0=absent, 1=present 2. Frontal sinus. 0=absent, 1=present 3. Orbits. 0=facing laterally or anterolaterally, 1=facing more anteriorly 4. Post-orbital plate. 0=absent or incomplete, 1=present, complete 5. Pre-molars. 0=three upper and lower premolars present, 1=two upper and lower premolars present. 6. Femoral condyles. 0=symmetrical, 1=markedly assymetrical (the medial condyle is larger). 7. Pelvis. 0=acetabular fossa is smaller than obturator foramen, 1=acetabular fossa same size as obturator foramen 8. Rhinarium and upper lip. 0=rhinarium moist/ upper lip split, 1=rhinarium dry/upper lip partially or not split 9. Tapetum lucidum. 0=present, 1=absent 10. Premaxillary suture. 0= present in adulthood, 1= obliterated in adulthood 11. Toothcomb. 0=absent, 1=present 12. Size of the third digit on the foot (middle toe). 0= largest, 1= not largest 1 von 8

2 2) Wenn Sie eine brute-force (erschöpfende) Suche durchführen wollen, müssen Sie alle möglichen Bäume betrachten. Angesichts der Anzahl der Taxa in Ihrer Analyse, wie viele Bäume müssen Sie ausprobieren? (Weitere Informationen finden Sie in den Vorlesungsfolien.) 3. Mesquite starten und Datenmatrix erstellen. Öffnen Sie Mesquite. 3.1 Erstellen Sie eine neue, leere Datenmatrix erstellen. In der Menüleiste wählen Sie bitte unter dem Menüpunkt File den obersten Eintrag New. Benutzen Sie den Namen der Gruppe. Speichern Sie die Datei auf dem Desktop. In dem sich öffnenden Fenster New File Options belassen Sie bitte das Häkchen bei Make Taxa Block und ersetzen Sie im Feld Name das Wort Taxa durch den Namen ihrer Familie. Ändern Sie die Zahl bei Number of Taxa zur tatsächlichen Anzahl der Taxa inklusive Außengruppe(n). Kreuzen Sie das Kästchen an Make Character Matrix. Belassen Sie die Auswahl bei Standard Categorical Data (diskrete Merkmale) und klicken Sie auf OK Datenmatrix füllen. Füllen Sie Ihre neue Datenmatrix in Mesquite mit der Datenmatrix die Sie zuvor auf dem Übungsblatt erstellt haben. Beachten Sie das die Matrix genau identisch sein muss, d.h. Sie benötigen die gleichen Zeilen und Spalten Kürzesten Baum suchen. Benutzen nun Mesquite um die kürzesten Bäume zu finden (most parsimonious). Gehen Sie im Menüpunkt Taxa&Trees auf Tree Inference -> Tree Search -> Mesquite Heuristic (Add & Rearrange). Im sich öffnenden Fenster unter Tree value using character matrix auf auf Treelength (2. Zeile von oben) und OK klicken. Im nächsten Fenster auf Stored Matrices und OK, dann auf SPR Rearranger und OK. Dann auf OK und No. Mesquite zeigt ihnen jetzt den ersten aller kürzesten Bäume, die es gefunden hat Bäume wurzeln. Mesquite hat mehrere Bäume gefunden. Um nur Bäume bekommen, die mit Ihrer Außengruppe gewurzelt wurden, fahren Sie fort. Klicken Sie links auf Show Matrix. Markieren Sie alle Taxa ausser der Außengruppe. Gehen Sie im Menüpunkt Taxa&Trees zu Make New Trees Block from -> Filter Trees from Other Source... Wählen Sie Stored Trees und OK, dann Selected Taxa form Clade und OK, dann No und dann Yes. Jetzt sollten Sie nur noch zwei Bäume haben. 2 von 8

3 3) Notieren Sie die Kladogramme, die mit den morphologischen Daten generiert haben. Verwenden Sie das Prinzip der Sparsamkeit (Parsimony). Beschriften Sie jeden Übergang mit der Merkmalszahl (Spalte) und der Änderungsrichtung (d. H. 0 1 oder 1 0) Gehen Sie zum Menüpunkt Analysis und wählen Sie Trace Character History und wählen im sich öffnenden Fenster die Stored Characters und OK. Im neuen Fenster auf Parsimony Ancestral States und OK. Die Merkmalsänderungen für Merkmal 1 werden jetzt auf den Baum gemappt. Wenn Sie in dem türkisfarbenen Rahmen für Trace Character auf den blauen Pfeil klicken, wird der Baum die Merkmalsänderungen für andere Merkmale anzeigen. 3 von 8

4 4) Gibt es eine andere, ebenso sparsame (parsimnoische) Art, die Merkmalsänderungen auf jeden Baum zu zeichnen? Ist dies der Fall, listen Sie die Merkmale und die alternativen Stellen für die Merkmalsänderungen auf. 5) Erkläre, warum die Baumsuche mehr als ein Kladogramm gefunden hat. Beschriften Sie jedes Kladogramm oben mit einer eindeutigen Nummer. 6) Wie unterscheiden sich die Charakterhistorien (Merkmalsänderungen) zwischen diesen beiden Bäumen? Mit anderen Worten, treten alle Merkmalsänderungen an denselben Stellen im Baum auf? Wenn nicht, was sind die Unterschiede in den Charakterhistorien, die in diesen Bäumen dargestellt werden? 7) Wie unterscheiden sich die Beziehungen zwischen den Primaten in diesen beiden Hypothesen? a. Ist die Klade (Gruppe der Taxa), die ein Tapetum lucidum (Merkmal 9) besitzen, eine monophyletische Gruppe nach jeder Ihrer Hypothesen? b. Ist die Klade (Gruppe der Taxa), die einen kürzeren mittleren Zeh (Charakter 12) besitzen, nach jeder Hypothese monophyletisch? 4 von 8

5 8) Benutzen Sie die folgende Tabelle zum beantworten der Fagen. Traditional Groupings Prosimians Strepsirhini Haplorhini Anthropoidea Group (representative taxa) Tarsiers, Lemurs, Galagos Lemurs & Galagos Tarsiers & Monkeys (Marmosets) & Apes (Gibbons, Orangutans, Gorillas, Chimpanzees, Humans) Monkeys (Marmoset) & Apes (Gibbons, Orangutans, Gorillas, Chimpanzees, Humans) a. Welche Arten haben in beiden Kladogrammen ähnliche Beziehungen? b. Welche Gruppen aus Tabelle 1 sind in beiden Kldogrammen monophyletisch? 9) Ordnen Sie alle Merkmalsänderungen dem unteren Kladogramm zu und setzen Sie einen Stern auf den Knoten, der eine Polytomie darstellt. Dieses Kladogramm repräsentiert eine weniger spezifische Hypothese als die beiden obigen Baumstrukturen. Erklären Sie warum und erwähnen Sie Unterschiede in den Verzweigungsmustern. (Tipp: Suchen Sie in der Vorlesung nach Polytomie, wenn Sie mit dem Begriff nicht vertraut sind.) 5 von 8

6 Part B: Rechnen der Verwandtschaft von Primaten anhand von molekularen Daten 10) Benutzen Sie nun die Software MEGA um einen phylogenetischen Baum anhand der molekularen Daten zu berechnen. Starten Sie MEGA. Um die Daten zu laden, klicken Sie auf Data -> Open A File/Session. Wählen Sie die Datei Primate_Epsilon_Aligned.fas die Sie auf der Kurswebseite finden, dann Analyze -> Nucleotide Sequences -> OK -> Yes -> OK 10.1) Neighbor-Joining Tree Als erstes wollen wir die Methode Neighbor-Joining (die am weitesten verbreitete Distanz-Methode) benutzen, um einen Baum zu erstellen. Wählen Sie Analysis -> Phylogeny -> Construct/Test Neighbor-Joining Tree -> Yes -> Compute 10.2) Zeichnen Sie den berechneten Baum. Welche Unterschiede erkennen Sie zu Ihren vorherigen Ergebnissen? 10.3) Maximum-Likelihood Als erstes wollen wir die Methode Neighbor-Joining (die am weitesten verbreitete Distanz-Methode) benutzen, um einen Baum zu erstellen. Wählen Sie Analysis -> Phylogeny -> Construct/Test Maximum-Likelihood Tree -> Yes -> Compute 6 von 8

7 10.4) Zeichnen Sie den berechneten Baum. Welche Unterschiede erkennen Sie zu Ihren vorherigen Ergebnissen? 10.5) Finden Sie das beste Substitution-Modell Wählen Sie Analysis -> Substitution Models -> Find Best DNA/Protein Models (ML) -> Yes -> Compute Welches Model wurde von MEGA ausgewählt? Das beste Model wird an erster Stelle angezeigt. 10.6) Maximum-Likelihood mit dem besten Model Wiederholen Sie nun die Maximum-Likelihood Analyse mit dem besten Model, welches Sie zuvor gefunden haben. Dafür müssen Sie bei Model/Method das entsprechende Model auswählen, und zusätzlich die Rates among Sites anpassen. Zeichnen Sie den berechneten Baum. Welche Unterschiede erkennen Sie zu Ihren vorherigen Ergebnissen? 7 von 8

8 10.7) Falls sich der Baum den sie mit dem besten Substitution-Modell berechnet haben von dem Baum mit dem einfacheren Model unterscheidet, was können Sie daraus schließen? Falls nicht, können Sie daraus eine allgemeine Aussage treffen? 10.8) Jetzt wollen wir die Robustheit unseres phylogenetischen Baumes berechnen. Dazu wiederholen wir die obige Maximum-Likelihood Analyse, ändern jedoch Test of Phylogeny zu Bootstrap Method. Berechnen Sie abschließend eine zusammenfassende Phylogenie. Benutzen Sie die Funktion Compute Condensed Tree mit der Option Cut-Off Value for Condesed Tree von 75%. Zeichnen Sie den Baum. Tragen Sie auch die Bootstrap werte an den Knoten ein. Gibt es eine Polytomie? Wenn ja, warum und was bedeutet dies? 8 von 8