Phylogeny and population dynamics in European Reticulitermes and Kalotermes genera (Insecta, Isoptera)

The aim of this thesis is to detect the phylogeny and the population dynamics of the European termites of the genera Reticulitermes and Kalotermes, by the use of different mitochondrial (16S, COI/tRNA/COII, CR) and nuclear (microsatellites and Inter-SINE) molecular markers. In the phylogenetic analyses, the obtained results have well defined the cladogenetic events that generated the nowadays species biodiversity of the genus Reticulitermes, while the analysis of the Kalotermes flavicollis taxon showed the presence of at least four genetic clades, defined on the basis of the geographical distance. The second part of the thesis is centred on the population dynamics of two species: Reticulitermes urbis and Kalotermes flavicollis. The first species, native of the Balkans, is known to be present in some cities of Italy and France. I’ve analyzed the colony genetic structure of the introduced population of Bagnacavallo (RA, Italy), using nine microsatellite loci. The obtained results are in accordance with those obtained from another population in France: this species in fact confirms its invasive and infestation capacities. The analysis of the natural population of K. flavicollis, performed with a combination of mitochondrial (control region) and nuclear (microsatellites and I-SINE) markers, clearly evidenced the presence of two genetic lineages that coexist in the same area. Moreover, results clearly indicate that the cross-breeding is allowed. Finally, the whole results are discussed in a comparative view to better understand the differences in ecology, evolutionary dynamics and colony social structure between these two genera.

Struttura di popolazione in gamberi aristeidi (Decapoda, Aristeidae) nel Mediterraneo occidentale mediante l'utilizzo di loci microsatelliti

Il lavoro svolto durante il dottorato di ricerca ha permesso lo sviluppo e la verifica della attendibilità di marcatori molecolari neutrali (loci microsatelliti) specifici per Aristeus antennatus. Tali marcatori sono stati poi utilizzati per studiare la struttura genetica di popolazione della specie del Mediterraneo occidentale e i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli di un progetto di ricerca parallelo su Aristeaomorpha foliacea, analizzando differenze ed analogie fra le due specie. I risultati delle analisi su Aristeus antennatus hanno evidenziato una completa assenza di struttura di popolazione e come i due sessi contribuiscano in modo diverso al flusso genico. La specie infatti presenta un sex-ratio a favore dei maschi oltre gli 800m, mentre tale rappoorto è a favore delle femmine in strati più superficiali, dove sono probabilmente soggette a condizioni oceanografiche più dispersive. Tramite test genetici appropriati è stato possibile valutare indirettamente il grado di dospersione dei sessi dimostrando che nell'area analizzati i maschi erano rappresentati maggiormente da individui stanziali, mentre gli individui di sesso femminile erano migranti. Le femmine appaiono pertanto giocare un ruolo preminente rispetto ai maschi nel determinare l'entità del flusso genico. Il confronto dei risultati ottenuti in Aristeus antennatus con quelli di Aristaeomorpha foliacea ha evidenziato la relazione fra alta capacità dispersiva, sia allo stato larvale che adulto, e completo rimescolamento genetico nei gamberi aristeidi nel Mediterraneo occidentale anche se in quest'ultima specie non ci sono evidenze di dispersione genetica mediata dal sesso. E' pertanto di forte interesse (dato anche il valore economico di questi organismi) come una struttura di popolazione qualitativamente e quantitavamente comporabile venga raggiunta con dinamiche di popolazione molto diverse.

The genetic signature of Neolithic in Greece

The Neolithic is characterized by the transition from a subsistence economy, based on hunting and gathering, to one based on food producing. This important change was paralleled by one of the most significant demographic increase in the recent history of European populations. The earliest Neolithic sites in Europe are located in Greece. However, the debate regarding the colonization route followed by the Middle-eastern farmers is still open. Based on archaeological, archaeobotanical, craniometric and genetic data, two main hypotheses have been proposed. The first implies the maritime colonization of North-eastern Peloponnesus from Crete, whereas the second points to an island hopping route that finally brought migrants to Central Greece. To test these hypotheses using a genetic approach, 206 samples were collected from the two Greek regions proposed as the arrival point of the two routes (Korinthian district and Euboea). Expectations for each hypothesis were compared with empirical observations based on the analysis of 60 SNPs and 26 microsatellite loci of Y-chromosome and mitochondrial DNA hypervariable region I. The analysis of Y-chromosome haplogroups revealed a strong genetic affinity of Euboea with Anatolian and Middle-eastern populations. The inferences of the time since population expansion suggests an earlier usage of agriculture in Euboea. Moreover, the haplogroup J2a-M410, supposed to be associated with the Neolithic transition, was observed at higher frequency and variance in Euboea showing, for both these parameters, a decreasing gradient moving from this area. The time since expansion estimates for J2a-M410 was found to be compatible with the Neolithic and slightly older in Euboea. The analysis of mtDNA resulted less informative. However, a higher genetic affinity of Euboea with Anatolian and Middle-eastern populations was confirmed. These results taken as a whole suggests that the most probable route followed by Neolithic farmers during the colonization of Greece was the island hopping route.

Impact of forest fragmentation and disturbance on the endangered tropical tree Prunus africana (Rosaceae)

Anthropogene Fragmentierung und Störung von Wäldern beeinflussen ökologische Prozesse. Darüber hinaus werden genetische Drift und Inzucht verstärkt und die Fitness von Populationen beeinträchtigt. Um die Einflüsse von Fragmentierung und Störung auf die Biodiversität und Prozesse in tropischen Wäldern zu ermitteln, habe ich im „Kakamega Forest“, West-Kenia, die Baumart Prunus africana genauer untersucht. Dabei lag der Fokus auf (i) der Frugivorengemeinschaft und Samenausbreitung, (ii) der Kleinsäugergemeinschaft im Kontext der Samenprädation und (iii) der genetische Populationsstruktur von Keimlingen und adulten Bäumen. Der Vergleich von Keimlingen mit adulten Bäumen ermöglicht es, Veränderungen im Genfluss zwischen Generationen festzustellen. Die Ergebnisse zeigten, dass im untersuchten Waldgebiet insgesamt 49 frugivore Arten (Affen und Vögel) vorkommen. Dabei lag die Gesamtartenzahl im zusammenhängenden Wald höher als in den isoliert liegenden Fragmenten. An den Früchten von P. africana konnten insgesamt 36 Arten fressend beobachtet werden. Hier jedoch wurden in Fragmenten eine leicht erhöhte Frugivorenzahl sowie marginal signifikant erhöhte Samenausbreitungsraten nachgewiesen. Der Vergleich von stark gestörten mit weniger gestörten Flächen zeigte eine höhere Gesamtartenzahl sowie eine signifikant höhere Frugivorenzahl in P. africana in stark gestörten Flächen. Entsprechend war die Samenausbreitungsrate in stark gestörten Flächen marginal signifikant erhöht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die quantitative Samenausbreitung in fragmentierten und gestörten Flächen etwas erhöht ist und somit eine gewisse Artenredundanz besteht, die den Verlust einzelner Arten ausgleichen könnte. Prunus africana Samen, die auf dem Boden lagen, wurden hauptsächlich von einer Nagerart (Praomys cf. jacksonii) erbeutet. Dabei war in gestörten Waldbereichen eine tendenziell höhere Prädatoraktivität zu beobachten als in weniger gestörten. Zudem waren einzelne Samen im Gegensatz zu Samengruppen in gestörten Flächen signifikant höherem Prädationsdruck ausgesetzt. Diese Ergebnisse zeigen, dass Fragmentierung sowie anthropogene Störungen auf unterschiedliche Prozesse im Lebenszyklus eines tropischen Baumes gegensätzliche Effekte haben können. Eine Extrapolation von einem auf einen anderen Prozess kann somit nicht erfolgen. Die genetische Differenzierung der adulten Baumpopulationen war gering (FST = 0.026). Der Großteil ihrer Variation (~ 97 %) lag innerhalb der Populationen, was intensiven Genfluss in der Vergangenheit widerspiegelt. Die genetische Differenzierung der Keimlinge war etwas erhöht (FST = 0.086) und ~ 91 % ihrer Variation lag innerhalb der Populationen. Im Gegensatz zu den adulten Bäumen konnte ich für Keimlinge ein „Isolation-by-distance“-Muster feststellen. Somit sind erste Hinweise auf begrenzten Genfluss im Keimlingsstadium infolge von Fragmentierung gegeben. Obwohl die Momentaufnahmen im Freiland keine Abnahme in der Frugivorenzahl und Samenausbreitung von P. africana als Folge von Fragmentierung beobachten ließen, weisen die Ergebnisse der genetischen Studie auf einen bereits reduzierten Genaustausch zwischen den Populationen hin. Somit lässt sich feststellen, dass die Faktoren Fragmentierung und Störung genetische Diversität, ökologische Prozesse und Artendiversität in Wäldern jeweils auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Um Konsequenzen derartiger Einflüsse folgerichtig abschätzen zu können, sind Studien auf unterschiedlichen Diversitätsebenen unabdingbar.

Morphological-molecular taxonomy and population genetic structure of common and Egyptian soles of the Adriatic Sea

A total of 352 specimens were analyzed to achieve the different aims of this thesis. 255 central-northern Adriatic specimens of S. solea and S. aegyptiaca were molecularly analysed using microsatellite locus Sos(AC)40 and 205 also morphologically due to evaluate the abundance and the distribution of the cryptic species S. aegyptiaca and to confirm morphologic analyses. Morphological and molecular analyses comparated show a correspondence of 96%. A combined morphologic approach could be proposed to apply multiple criteria on the analyzed external morphological keys. The Adriatic Egyptian soles may lives in shallow waters (up 30 m) and in brackish lagoon. 127 samples of Adriatic common sole added to 326 samples of previous studies showed, using mitochondrial marker (CytB), that the Adriatic Sea as contact zone between Tyrrhenian and Aegean Sea, the divergence within the Adriatic Sea is low but significant between central-north and south, with a longitudinal strong gene flow in central-northern side. It’s also showed as in the Adriatic Sea two near-panmictic populations of common sole exist.

Design and implementation of a novel multi-constellation FPGA-based dual frequency GNSS receiver for space applications

The PhD activity described in the document is part of the Microsatellite and Microsystem Laboratory of the II Faculty of Engineering, University of Bologna. The main objective is the design and development of a GNSS receiver for the orbit determination of microsatellites in low earth orbit. The development starts from the electronic design and goes up to the implementation of the navigation algorithms, covering all the aspects that are involved in this type of applications. The use of GPS receivers for orbit determination is a consolidated application used in many space missions, but the development of the new GNSS system within few years, such as the European Galileo, the Chinese COMPASS and the Russian modernized GLONASS, proposes new challenges and offers new opportunities to increase the orbit determination performances. The evaluation of improvements coming from the new systems together with the implementation of a receiver that is compatible with at least one of the new systems, are the main activities of the PhD. The activities can be divided in three section: receiver requirements definition and prototype implementation, design and analysis of the GNSS signal tracking algorithms, and design and analysis of the navigation algorithms. The receiver prototype is based on a Virtex FPGA by Xilinx, and includes a PowerPC processor. The architecture follows the software defined radio paradigm, so most of signal processing is performed in software while only what is strictly necessary is done in hardware. The tracking algorithms are implemented as a combination of Phase Locked Loop and Frequency Locked Loop for the carrier, and Delay Locked Loop with variable bandwidth for the code. The navigation algorithm is based on the extended Kalman filter and includes an accurate LEO orbit model.

Innovative architecture of on-board and on-ground radio systems for space communication

The radio communication system is one of the most critical system of the overall satellite platform: it often represents the only way of communication, between a spacecraft and the Ground Segment or among a constellation of satellites. This thesis focuses on specific innovative architectures for on-board and on-ground radio systems. In particular, this work is an integral part of a space program started in 2004 at the University of Bologna, Forlì campus, which led to the completion of the microsatellite ALMASat-1, successfully launched on-board the VEGA maiden flight. The success of this program led to the development of a second microsatellite, named ALMASat-EO, a three-axis stabilized microsatellite able to capture images of the Earth surface. Therefore, the first objective of this study was focused on the investigation of an innovative, efficient and low cost architecture for on-board radio communication systems. The TT&C system and the high data rate transmitter for images downlink design and realization are thoroughly described in this work, together with the development of the embedded hardware and the adopted antenna systems. Moreover, considering the increasing interest in the development of constellations of microsatellite, in particular those flying in close formations, a careful analysis has been carried out for the development of innovative communication protocols for inter-satellite links. Furthermore, in order to investigate the system aspects of space communications, a study has been carried out at ESOC having as objective the design, implementation and test of two experimental devices for the enhancement of the ESA GS. Thus, a significant portion of this thesis is dedicated to the description of the results of a method for improving the phase stability of GS radio frequency equipments by means of real-time phase compensation and a new way to perform two antennas arraying tracking using already existing ESA tracking stations facilities.

Genetic variability and differentiation in the Mediterranean endemic starry ray Raja asterias (Delaroche, 1809)

The present study deal with the population structure and connectivity of the Mediterranean endemic starry ray Raja asterias (Delaroche, 1809) in the Western and Eastern Mediterranean basin. A panel of eight microsatellite loci which cross-amplify in Rajidae (El Nagar, 2010) was used to assess population connectivity and structure. Those aims were investigated by analyzing the genetic variation of 9 population sample for a total of 185 individuals collected during past scientific surveys (MEDITS, GRUND), commercial trawling and also directly at fish markets. The purpose of this thesis is to estimate the genetic divergence occurring between the Mediterranean populations and, in particular, to assess the presence of any barrier (geographic, hydrogeological and biological) to gene flow for this species. Different statistical approaches were performed to reach this aim evaluating both the genetic diversity (nucleotide diversity, allelic richness, observed and expected heterozygosity and Hardy-Weinberg equilibrium test) and the population differentiation patterns (pairwise Fst estimated and population structure analysis). The results obtained from the analysis of the microsatellite dataset suggest a geographic and genetic separation between the starry ray populations of the Mediterranean basin into three or four distinct groups: Western and Eastern Mediterranean basins and Sicilian coast always clustering as an independent group and Algeria which could be or not considered another separate group. The data were discussed from both an evolutionary and a conservation point of view and in relation to previous results obtained by the analysis of mitochondrial marker. A comparison with other Mediterranean demersal skate species was performed in order to better contextualise our results. Finally, our results could offer useful information to protect vulnerable species as R. asterias and developing effective conservation plans in the Mediterranean.

Muster und Prozesse in einer Microcebus-Hybridzone in Südostmadagaskar

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde in zwei Schwerpunktanalysen mit eine Teil- und Gesamtdatensatz die Untersuchung der Hybridisierung zwischen den beiden Microcebus-Arten M. murinus und M. griseorufus im Ökoton Südostmadagaskars umfangreich und vertieft untersucht. Für die genetischen Analysen wurden die maternal vererbte mitochondriale Hypervariable Region I (HVR 1) und neun nukleäre biparental vererbte Mikrosatellitenmarker eingesetzt. Als weiterer Datensatz wurden morphometrische Daten verwendet. Für die erste Schwerpunktanalyse wurde ein bereits vorhandener Teildatensatz (Hapke 2005 & Gligor 2006) mit Daten von insgesamt 162 Individuen aus neun Populationen der Dornbuschzone, der Übergangswaldzone und des Küstenwaldgebietes eingesetzt. In der zweiten Schwerpunktanalyse wurde eine umfangreiche Untersuchung der Microcebus griseoruus-M. murinus- Hybridzone vorgenommen. Für diese detaillierte Charakterisierung der Hybridzone wurde eine ausgedehnte und fein auflösende Probennahme in einem als Kernzone definierten Bereich, der die gesamte Übergangswaldzone und die dazu benachbarten Dornbuschgebiete umfasste, durchgeführt. Die morphometrischen und genetischen Daten der neu beprobten Individuen dieser Kernzone wurden mit den Daten des Teildatensatzes und weiteren Daten aus Küstenwaldpopulationen (Hapke 2005) zu einem Gesamtdatensatz zusammengefasst. Die Integration des Teildatensatzes in den Gesamtdatensatz erforderte umfassende und zeitintensive Labor- und Analysearbeiten, die im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführt wurden. Der Gesamtdatensatz umfasste insgesamt 569 Individuen der Gattung Microcebus aus 29 Untersuchungsstandorten. Die mit beiden Datensätzen durchgeführte Analyse morphometrischer Daten zeigte deutlich, dass die Mehrzahl der Individuen aus der Übergangswaldzone einen intermediären Morphotyp aufweist. Durch die mit den Daten des Teildatensatzes durchgeführten Bayes’schen Clusteranalysen und Assignment-Tests, das vornehmlich in den Populationen der Übergangszone beobachtete signifikante Kopplungsungleichgewicht und Heterozygotendefizit, die festgestellte Verteilung der mitochondrialen Haplotypen und das kontrastierende Muster zwischen nukleären Mikrosatellitengenotypen und mitochondrialen Haplotypen in den Übergangswaldpopulationen konnte erstmals das Vorkommen einer Hybridzone zwischen Microcebus-Arten wissenschaftlich fundiert festgestellt werden. Die Ergebnisse dieser Schwerpunktanalyse wurden in der Fachzeitschrift Molecular Ecology publiziert (Gligor et al. 2009). Die in der ersten Schwerpunktanalyse festgestellte Hybridzone konnte durch die zweite Schwerpunktanalyse mit den genetischen und morphometrischen Daten des Gesamtdatensatzes nicht nur bestätigt werden, sondern auch auf die gesamte Übergangswaldzone erweitert werden. Ferner wurden starke Hinweise auf eine Hybridisierung beider Microcebus-Arten an einigen Dornbuschstandorten der Kernzone gefunden. Durch die große Datenmenge des Gesamtdatensatzes, vor allem aus der Kernzone des Untersuchungsgebietes, war es möglich eine fundierte Charakterisierung der Microcebus griseoruus-M. murinus- Hybridzone durchzuführen. Die Übereinstimmung der Hybridzone mit dem beobachteten Vegetationsmosaik zusammen mit den Ergebnissen der PCA, der PCoA und der Bayes’schen Clusteranalyse sprechen für das Modell der „Mosaik Hybridzone“, während die Einzelbetrachtung der mosaikartig verteilten intermediären Übergangswälder eine hohe Abundanz der Hybride aufzeigte und somit eher das „Bounded Hybrid Superiority model“ unterstützt. Der gewählte geographische Beprobungsmaßstab könnte somit einen Einfluss auf die beobachtete Struktur einer Hybridzone haben. Eines der markantesten Muster in der Hybridzone ist das stark kontrastierende cyto-nukleäre Muster. Der seit ca. 3000 Jahren fortschreitende Klimawandel in Südmadagaskar und die damit verbundene Expansion des Verbreitungsgebietes der Art Microcebus griseorufus nach Osten, das in dieser Arbeit festgestellte „male-biased dispersal“ bei M. griseorufus und der Einfluss exogener Selektion sprechen stark für eine massive asymmetrische nukleäre Genintrogression von M. griseorufus-Allelen in M. murinus-Populationen, verbunden mit einer potentiellen Verdrängung der Art M. murinus aus der Übergangswaldzone. In den jeweiligen Kerngebieten Dornbusch und Küstenwald bleibt jedoch die Diskretheit beider Arten gewahrt.