SPP 1590:  Probabilistische Strukturen in der Evolution

• Fachliche Zuordnung: Mathematik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198501163

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Schwerpunktprogramm ‘Probabilistische Strukturen in der Evolution’ war dem vertieften theoretischen Studium der stochastischen Prozesse der Populationsgenetik und der Populationsdynamik gewidment. Dabei beschreibt Populationsgenetik die Evolution auf der Ebene individueller Genotypen in Populationen unter der Einwirkung verschiedener evolutionärer Kräfte; Populationsdynamik ist das Gegenstück auf der Ebene der Phänotypen und eng mit Konzepten der Spieltheorie verknüpft, die kooperatives und kompetitives Verhalten verschiedener Akteure beschreibt. Ein gemeinsamer Anker für beide Theorien ist das Konzept der zufälligen Genealogien von Individuen. Evolution ist ein komplexes Phänomen, das von Prozessen wie Mutation und Rekombination des genetischen Materials, Reproduktion von Individuen und Selektion vorteilhafter Typen getrieben wird. Das Verständnis des Zusammenspiels dieser Faktoren erfordert die substantielle Verwendung mathematischer Modelle und Methoden. Im Laufe des SPP ist es insbesondere gelungen, • die Struktur zufälliger Fitnesslandschaften zu charakterisieren und die ‘Bewegung’ von Individuen innerhalb dieser Landschaften durch Mutation und Reproduktion zu verstehen; • die stochastischen Modelle der Populationsgenetik und Populationsdynamik in Vorwärtsrichtung der Zeit erheblich weiterzuentwickeln und ihr Verständnis zu vertiefen. Dies reichte von Modellen der experimentellen Evolution über Wirts-Parasit-Koevolution bis zu Modellen der adaptiven Dynamik; • Konzepte, Methoden und Resultate für zufällige Genealogien in stochastischen Populationsmodellen entscheidend zu erweitern. Hier konnte — weit über die üblichen Standardannahmen und Prototypmodelle hinaus — auch der Einfluss von hochgradig asymmetrischen Nachkommenverteilungen (die zu Genealogien mit multiplen Verschmelzungen führen), von Dormanz (wie sie im Kontext mit Samenbanken auftritt), von räumlicher Struktur, von Konkurrenz und Symbiose von Individuen, sowie von Rekombination und Selektion analysiert werden; • kombinatorische, topologische und algebraische Eigenschaften von (genealogischen) Bäumen zu analysieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An ancestral recombination graph for diploid populations with skewed offspring distribution, Genetics 193 (2013), 255–290
  M. Birkner, J. Blath und B. Eldon
  
• Directed random walk on an oriented percolation cluster, Electron. J. Probab. 18 (2013), paper no. 80, 35 pp.
  M. Birkner, J. Černý, A. Depperschmidt und N. Gantert
  
• The effect of single recombination events on coalescent tree height and shape, PLoS One 8 (2013), e60123
  L. Ferretti, F. Disanto und T. Wiehe
  
• Speed of adaptation and genomic a footprints of host-parasite coevolution under arms race and trench warfare dynamics, Evolution 68 (2014), 2211-2224
  A. Tellier, S. Moreno–Gámez und W. Stephan
  
• The evolving beta coalescent, Electron. J. Probab. 19 (2014), 1–27
  G. Kersting, J. Schweinsberg und A. Wakolbinger
  
• A mixing tree-valued process arising under neutral evolution with recombination, Electron. J. Probab 20 (2015), paper no. 94, 22 pp.
  A. Depperschmidt, E. Pardoux und P. Pfaffelhuber
  
• An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems, Nat. Rev. Microbiol. 13 (2015), 722–736
  K.S. Makarova, Y.I. Wolf, O.S. Alkhnbashi, F. Costa, S.A. Shah, S.J. Saunders, R.Barrangou, S.J.J. Brouns, E. Charpentier, D.H. Haft, P. Horvath, S. Moineau, F.J.M.Mojica, R.M. Terns, M.P. Terns, M.F. White, A.F. Yakunin, R.A. Garrett, J. van der Oost, R. Backofen, and E.V. Koonin
  
• Can the site-frequency spectrum distinguish exponential population growth from multiple-merger coalescents?, Genetics 199 (2015), 841–856
  M. Birkner, J. Blath, B. Eldon und F. Freund
  
• Looking down in the ancestral selection graph: A probabilistic approach to the common ancestor type distribution, Theor. Popul. Biol. 103 (2015), 27–37
  U. Lenz, S. Kluth, E. Baake und A. Wakolbinger
  
• Repeatability of evolution on epistatic landscapes, Scientific Reports 5 (2015), article no. 9607
  B. Bauer and C.S. Gokhale
  
• A new coalescent for seed-bank models, Ann. Appl. Probab. 26 (2016), 857–891
  J. Blath, A. González Casanova, N. Kurt und M. Wilke-Berenguer
  
• Collective fluctuations in the dynamics of adaptation and other traveling waves, Genetics 202 (2016), 1201–1227
  O. Hallatschek und L. Geyrhofer
  
• Continuum space limit of the genealogies of interacting Fleming-Viot processes on Z, Electron. J. Probab. 21 (2016), paper no. 58, 64 pp.
  A. Greven, R. Sun und A. Winter
  
• Haldane linearisation done right: Solving the nonlinear recombination equation the easy way, Discrete Contin. Dyn. Syst. 36 (2016), 6645–6656
  E. Baake und M. Baake
  
• The influence of space and time on the evolution of altruistic defence: the case of ant slave rebellion, J. Evol. Biol. 29 (2016), 874–886
  D. Metzler, F. Jordan, T. Pamminger und S. Foitzik
  
• The scaling limit of the interface of the continuous-space symbiotic branching model, Ann. Probab. 44 (2016), 807-866
  J. Blath, M. Hammer und M. Ortgiese
  
• From stochastic, individual-based models to the canonical equation of adaptive dynamics in one step, Ann. Appl. Probab. 27 (2017), 1093–1170
  M. Baar, A. Bovier und N. Champagnat
  
• A new look at duality for the symbiotic branching model, Ann. Probab. 46 (2018), 2800–2862
  M. Hammer, M. Ortgiese und F. Völlering
  
• Coalescent results for diploid exchangeable population models, Electron. J. Probab. 23 (2018), paper no. 49, 44 pp.
  M. Birkner, H. Liu und A. Sturm
  
• The hierarchical Cannings process in random environment. ALEA Lat. Am. J. Probab. Math. Stat. 115 (2018), paper no. 1, 295–351
  A. Greven, F. den Hollander und A. Klimovsky
  
• Trait-dependent branching particle systems with competition and multiple offspring
  G. Berzunza, A. Sturm und A. Winter
  
• Universality classes of interaction structures for NK fitness landscapes, J. Stat. Phys. 172 (2018), 226–278
  S. Hwang, B. Schmiegelt, L. Ferretti, and J. Krug
  
• Coalescing directed random walks on the backbone of a 1+1-dimensional oriented percolation cluster converge to the Brownian web, ALEA Lat. Am. J. Probab. Math. Stat. 16 (2019), 1029–1054
  M. Birkner, N. Gantert und S. Steiber
  
• Evolving phylogenies of trait-dependent branching with mutation and competition. Part I: Existence, Stoch. Processes Appl. 129 (2019), 4837–4877
  S. Kliem und A. Winter
  
• Inference of recombination maps from a single pair of genomes and its application to ancient samples, PLOS Genetics 15 (2019), e1008449
  G.V. Barroso, N. Puzovic und J. Dutheil
  
• Lookdown constructions of symbiotic branching processes, Doktorarbeit, Universität Mainz, 2019
  Fridolin Kielisch
  
• Modelling and simulating Lenski’s long-term evolution experiment, Theor. Popul. Biol. 127 (2019), 58–74
  E. Baake, A. González Casanova, S. Probst und A. Wakolbinger
  
• Neutral genomic signatures of host-parasite coevolution, BMC Evol. Biol. 19 (2019)
  D. Zivković, S. John, M. Verin, W. Stephan und A. Tellier
  
• The evolving Moran genealogy, Theor. Popul. Biol. 130 (2019), 94–105
  J. Wirtz und T. Wiehe
  
• Tree lengths for general Λ-coalescents and the asymptotic site frequency spectrum around the Bolthausen–Sznitman coalescent, Ann. Appl. Probab. 29 (2019), 2700–2743
  C.S. Diehl und G. Kersting
  
• Convergence of metric two-level measure spaces, Stoch. Processes Appl. 130 (2020), 3499–3539
  R. Meizis
  
• Genealogical distances under low levels of selection, Theor. Popul. Biol. 131 (2020), 2–11
  E. Huss, P. Pfaffelhuber
  
• Propagation of chaos and the many-demes limit for weakly interacting diffusions in the sparse regime, Ann. Appl. Probab. 30 (2020), 2311–2354
  M. Hutzenthaler und D. Pieper
  
• Solving the selection-recombination equation: Ancestral lines under selection and recombination, arXiv
  F. Alberti und E. Baake
  
• The parabolic Anderson model on a Galton-Watson tree, arXiv
  F. den Hollander, W. König und R. S. dos Santos
  
• Multiple merger genealogies in outbreaks of Mycobacterium tuberculosis, Mol. Biol. Evol. 38 (2021), 290–306
  F. Menardo, S. Gagneux und F. Freund
  
• Longtime asymptotics of the two dimensional parabolic Anderson model with white-noise potential, arXiv
  W. König, N. Perkowski und W. van Zuijlen