Universitätsbibliothek Wien

Fate and fortuity

Uecker, Hildegard (2013) Fate and fortuity.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Mathematik
BetreuerIn: Hermisson, Joachim

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30017.95912.578865-6
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Abstract in English

The establishment of beneficial alleles is fundamental for the genetic adaptation of populations to environmental change. Often, a favorable allele is initially only present in few copies in a population. For adaptive evolution to proceed, it has to escape stochastic loss and finally rise to fixation. The mathematical theory of branching processes provides an elegant framework to estimate the establishment probability and the speed of early growth of a beneficial allele in a large population. In this thesis, I apply this approach to study adaptation in ecologically or genetically complex scenarios. A special emphasis is put on situations where the fitness of the allele is time dependent. The analytical results are complemented by computer simulations. The first chapter provides concise analytical approximations for the establishment probability of a single beneficial allele in a variable environment and the time that it needs to reach a given frequency. It turns out that even slight changes in the selection pressure over time can strongly alter both quantities. In the second chapter, the results are applied to the biological problem of evolutionary rescue in structured populations. I show how various, partially antagonistic effects intertwine, leading to a complex dependence of the rescue probability on ecological characteristics. The third chapter addresses the topic of adaptive gene introgression. Linked and unlinked deleterious alleles strongly affect the introgression process of a beneficial allele. Approximations for the introgression probability and the hitchhiking probability of closely linked deleterious alleles are derived.

Schlagwörter in Englisch

branching process / population genetics / evolutionary model / adaptation / fixation probability / extinction risk / introgression

Abstract in German

Die Etablierung vorteilhafter Allele ist elementar für die genetische Anpassung einer Population an veränderte Umweltbedingungen. Ein günstiges Allel liegt anfangs oft nur in geringer Zahl in einer Population vor. Damit Adaptation stattfinden kann, darf es nicht durch stochastische Fluktuationen verlorengehen und muß schließlich fixieren. Die mathematische Theorie der Verzweigungsprozesse bildet einen eleganten Rahmen, um die Etablierungswahrscheinlichkeit und die Geschwindigkeit des anfänglichen Frequenzanstiegs des vorteilhaften Allels in einer großen Population näherungsweise zu bestimmen. In dieser Dissertation wende ich diesen Ansatz an, um Adaptation in ökologisch oder genetisch komplexen Szenarien zu untersuchen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf Situationen, in denen die Fitness des Alles zeitabhängig ist. Die analytischen Ergebnisse werden durch Computersimulationen ergänzt. Das erste Kapitel liefert analytische Approximationen für die Etablierungswahrscheinlichkeit eines einzelnen vorteilhaften Allels in einer veränderlichen Umwelt und die Zeit, die es benötigt, um eine gegebene Frequenz zu erreichen. Es zeigt sich, daß selbst geringfügige zeitliche Änderungen im Selektionsdruck beide Größen beträchtlich beeinflussen können. Im zweiten Kapitel werden die Ergebnisse auf die Frage angewandt, ob eine vom Aussterben bedrohte Population ihren Fortbestand durch genetische Anpassung an die geänderte Umwelt sichern kann (“evolutionary rescue”). Ich zeige, wie verschiedene, teils antagonistische Effekte ineinandergreifen und dadurch zu einer komplexen Abhängigkeit der Überlebenswahrscheinlichkeit der Population von ökologischen Faktoren führen. Das dritte Kapitel befaßt sich mit adaptiver Introgression von Genen (d.h. der Etablierung vorteilhafter Allele einer Art im Genom einer anderen in der Folge von Hybridisierung). Gelinkte und ungelinkte schädliche Allele haben einen starken Einfluß auf den Fixationsprozeß des positiv selektierten Allels. Näherungen für die Etablierungswahrscheinlichkeit des vorteilhaften Allels in der fremden Population und die Wahrscheinlichkeit, daß schädliche Allele mitfixieren, werden hergeleitet.

Schlagwörter in Deutsch

Verzweigungsprozeß / Populationsgenetik / evolutionäres Modell / Adaptation / Fixationswahrscheinlichkeit / Aussterberisiko / Introgression

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Uecker, Hildegard
Title: Fate and fortuity
Subtitle: Branching process models for the establishment and fixation of beneficial alleles
Umfangsangabe: 209 S. : graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Mathematik
Publication year: 2013
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Hermisson, Joachim
Assessor: Wahl, Lindi
2. Assessor: Barton, Nicholas
Classification: 31 Mathematik > 31.80 Angewandte Mathematik
42 Biologie > 42.10 Theoretische Biologie
42 Biologie > 42.21 Evolution
AC Number: AC11639670
Item ID: 29012
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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