Distribution and evolution of C4 and C3 eudicots: insights from global and local analyses using extensive data sources

Abstract

Das Thema dieser Arbeit war die Erforschung der komplexen Beziehung zwischen Pflanzenanpassung, Klima und Biodiversität, mit einem Schwerpunkt darauf, wie Pflanzen verschiedene photosynthetische Wege nutzen, um in unterschiedlichen Umgebungen zu überleben. Die Photosynthese, die für das Leben von wesentlicher Bedeutung ist, variiert zwischen Pflanzenarten, wobei die Anpassung an verschiedene Klimabedingungen eine entscheidende Rolle für das Überleben spielt. Die erste Studie untersucht die globale Verbreitung und Umweltpräferenzen von C4-Eudikotylen im Vergleich zu C4-Gräsern und hebt die unabhängige Evolution der C4-Photosynthese in verschiedenen Abstammungslinien hervor. Sie identifiziert Hotspots der C4-Eudikotyledonen-Diversität in trockenen Regionen wie Mexiko, dem Süden der Vereinigten Staaten und Australien. Diese Eudikotyledonen gedeihen unter trockeneren, extremeren Bedingungen und passen sich durch Merkmale wie Sukkulenz, Salztoleranz und die Nutzung spezifischer Decarboxylierungsenzyme an. Die Forschung kommt zu dem Schluss, dass die C4-Photosynthese bei Eudikotyledonen als Anpassung an eine ursprüngliche Trockenheit entstanden ist, was ihnen ermöglichte, härtere Umgebungen als C4-Gräser zu besiedeln. Die zweite Studie konzentriert sich auf die Diversifizierung der australischen Camphorosmeae, einem Tribus innerhalb der Familie der Amaranthaceae, in den ariden Landschaften Australiens. Durch die Integration phylogenetischer und bioklimatischer Daten zeigt die Studie, dass diese Arten vorab an trockene Lebensräume angepasst waren und sich während der Perioden zunehmender Trockenheit vom Miozän bis zum Pliozän signifikant diversifizierten. Beide Studien verdeutlichen zusammen das komplexe Zusammenspiel von Klima bei der Gestaltung der evolutionären Entwicklung sowohl von C3- als auch von C4-Arten. Das Klima erweist sich als treibende Kraft, die die Verbreitung und Evolution von Arten bestimmt. Beide Studien basieren auf großen Biodiversitätsdatensätzen, wie denen der Global Biodiversity Information Facility und dem Atlas of Living Australia. Die Arbeit betont die Bedeutung der Datenbereinigung und -validierung, wobei sowohl automatisierte Werkzeuge als auch manuelle Prozesse verwendet wurden, um die Zuverlässigkeit der Daten vor den Analysen sicherzustellen. Abschließend liefert die Arbeit Erkenntnisse darüber, wie sich Pflanzen durch verschiedene photosynthetische Strategien an das Klima anpassen, mit Implikationen für das Verständnis evolutionärer Prozesse im Kontext des Klimawandels. Durch die Untersuchung sowohl globaler als auch lokaler Maßstäbe wird hervorgehoben, wie Pflanzen sich kontinuierlich an veränderte Umweltbedingungen anpassen.

The subject of this work was to explore the complex relationship between plant adaptation, climate, and biodiversity, with a focus on how plants use different photosynthetic pathways to survive in diverse environments. Photosynthesis, essential to life, varies across plant species, with adaptation to different climates playing a key role in survival. The first study examines the global distribution and environmental preferences of C4 eudicots compared to C4 grasses, highlighting the independent evolution of C4 photosynthesis in various lineages. It identifies hotspots of C4 eudicot diversity in arid regions such as Mexico, the southern United States, and Australia. These eudicots thrive in drier, more extreme conditions, adapting through traits like succulence, salt tolerance, and the use of specific decarboxylating enzymes. The research concludes that C4 photosynthesis in eudicots evolved as an adaptation to ancestral drought, allowing them to colonise harsher environments than C4 grasses. The second study focuses on the diversification of the Australian Camphorosmeae, a tribe within the Amaranthaceae family, across Australia's arid landscapes. By integrating phylogenetic and bioclimatic data, the study demonstrates that these species were pre-adapted to dry habitats, with significant diversification occurring during periods of increased aridity from the Miocene to the Pliocene. Together, these studies highlight the complex interplay of climate in shaping the evolutionary paths of both C3 and C4 species. Climate is shown to be a driving force that determines species distribution and evolution. Both studies rely on large biodiversity datasets, such as those from the Global Biodiversity Information Facility and the Atlas of Living Australia. They emphasise the importance of data cleaning and validation, using automated tools and manual processes to ensure the reliability of the data before conducting analyses. In conclusion, the work provides insights into plant adaptation to climate through different photosynthetic strategies, with implications for understanding evolutionary processes in the context of climate change. By studying both global and local scales, the research underscores how plants continuously adapt to shifting environmental conditions.