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Titelaufnahme

Titel
Consequences of past climate changes on population genetics, ecology and fitness of Saponaria pumila, an Alpine perennial cushion plant
VerfasserPopp, Susanne
GutachterTribsch, Andreas
Erschienen2016
HochschulschriftSalzburg, Univ., Masterarb., 2016
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Datum der AbgabeOktober 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)genetische Diversität / Populationsgenetik / Verbreitung / Eiszeit / Holozän / alpine Polsterpflanze / AFLP / Saponaria pumila / Kleines Seifenkraut / Loiseleurio-Vaccinion / Caricetalia curvulae / AMOVA / seltene Allele / Refugien / Boden-pH / Silikatalpen
Schlagwörter (EN)genetic diversity / population genetics / genetic barriers / rear edge / leading edge / central-marginal model / distribution / ice-ages / Holocene / AFLP / Saponaria pumila / Loiseleurio-Vaccinion / Caricetalia curvulae / AMOVA / correlation heat map / rare alleles / refugia / soil pH / siliceous bedrock
URNurn:nbn:at:at-ubs:1-548 Persistent Identifier (URN)
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Consequences of past climate changes on population genetics, ecology and fitness of Saponaria pumila, an Alpine perennial cushion plant [21.56 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Das "Central-Marginal" Konzept der Evolutionsbiologie sagt aus, dass Populationen die sich am Arealrand eines Verbreitungsgebietes befinden, weniger genetische und phänotypische Variation aufweisen und weniger seltene Allele beinhalten als zentrale Populationen. Die Ursachen dafür sind, dass zentrale Populationen älter sind, in geeigneteren Habitaten und höheren Populationsdichten vorkommen und der genetische Austausch zwischen Teilpopulationen dadurch höher ist. Die Verteilung genetischer Vielfalt wird jedoch auch von klimatisch bedingten Verbreitungsdynamiken beeinflusst. In vergangenen Studien hat sich gezeigt, dass Saponaria pumila, eine alpine Polsterpflanze, die letzte Kaltperiode am Ende des Holozän in unvergletscherten Refugialräumen in den östlichen Ausläufern der Alpen überdauern konnte. Nach dem Rückzug des Eisschildes erfolgte eine Wiederbesiedelung der silikatischen Zentralalpen. Laut "Rear-Edge - Leading-Edge" Hypothese befindet sich der Großteil der genetischen Variation in randlichen Refugialräumen und Populationen der wiederbesiedelnden Vorderfront weisen starke genetische Verarmung auf.

In dieser Arbeit sollen genetische Gruppierungen und die Verteilung genetischer Vielfalt innerhalb des Hauptareals von S. pumila untersucht werden. Es soll festgestellt werden, ob vom "Central-Marginal" oder vom "Rear-Edge - Leading-Edge" Modell ausgegangen werden kann. Ich möchte auch untersuchen ob es Zusammenhänge zwischen räumlichen, genetischen, ökologischen und diversen Fitness-bezogenen Parametern gibt.

Fünfzehn Seifenkraut-Populationen in den österreichischen Zentralalpen wurden untersucht, Bodenproben genommen, Vegetationsaufnahmen gemacht und DNA-Proben gesammelt. Mithilfe der AFLP-Methode und computergestützten Analysen konnte ein genetisches Profil erstellt werden. Verwandtschaftsverhältnisse zwischen Populationen, ihre genetische Diversität und Anteile seltener Marker wurden berechnet. Beim Auffinden einer hohen genetischen Diversität und vieler seltener Allele in östlichen Refugialpopulationen und genetischer Verarmung westlicher Populationen würde die „Rear-Edge Leading-Edge“ Hypothese bestätigt werden. Um Zusammenhänge zu finden wurden Korrelationen zwischen genetischer Vielfalt und weiteren erhobenen Parametern berechnet, grafisch dargestellt und diskutiert.

Drei verschiedene genetische Gruppen konnten differenziert werden: Eine zentralöstliche Gruppe, die von einer zentralwestlichen Gruppe durch das Murtal getrennt ist und eine dritte Gruppe am Westrand des Areals. Die Anzahl seltener Allele ist in östlichen refugialen Randpopulationen am höchsten, weshalb davon ausgegangen werden muss, dass es sich hierbei um das "Rear-Edge" handelt. Gegen Westen nimmt die Zahl der seltenen Allele drastisch ab. Das "Leading-Edge" ist in den westlichsten Randpopulationen situiert. In gewisser Weise trifft jedoch auch das Central-Marginal-Modell zu, denn zentrale Populationen weisen gesamt eine höhere genetische Diversität auf, nur ist das Zentrum der genetischen Vielfalt historisch bedingt Richtung Osten, also in Richtung Refugien verschoben.

Es gibt Zusammenhänge zwischen genetischer Variation und vielen Fitness-bezogenen Merkmalen: Blätter und Pflanzenpolster sind in genetisch diversen Populationen größer und Individuen kommen in wettbewerbsfähigeren Pflanzengesellschaften vor. Es wird vermutet, dass eine weitere Ausbreitung durch eine Reduktion der Fitness in westlichen, genetisch verarmten Populationen limitiert wird bzw. dass der Zeitraum seit der letzten Eiszeit für eine Wiederbesiedelung aller potenziellen Habitate noch nicht ausgereicht hat.

Zusammenfassung (Englisch)

The central - marginal model in evolutionary biology states that populations from marginal areas of a species distribution range display lower levels of genetic and phenotypic variation and contain less rare alleles than populations which are situated in the central areas. Central populations are usually older, occur in more favourable habitats and in higher population densities which allows for high gene flow among (sub-) populations. However, climate driven range dynamics can also influence the genetic structure among the populations of a species. According to the “Rear-Edge-Leading-Edge-Hypothesis”, marginal refugial rather than central populations commonly harbour the bulk of species genetic diversity and the recolonization process is followed by a decrease of genetic diversity. Former studies indicate that Saponaria pumila, an Alpine perennial cushion plant, might have survived the last glacial period of the Holocene in siliceous refugia on the Eastern outlines of the Austrian Alps and recolonized the mountain range in the following interglacial period.

The aim of this thesis was to detect genetic groups and study the distribution of genetic diversity across the main distribution area of S. pumila and to find out whether these patterns apply to the central - marginal model and/or the rear-edge- leading-edge-hypothesis. I also wanted to test if there are relationships between spatial distribution, genetic diversity, ecological habitat preferences and fitness-related traits.

To approach these questions, an even sampling of populations was performed, covering the two major distribution areas in the Austrian Alps. I applied AFLP fingerprinting and computer-based genetic analysis to detect genetic relationships between populations and study the distribution of genetic diversity and rarity. If marginal populations in assumed eastern refugia turned out to have more genetic diversity and rare alleles the rear-edge leading-edge hypothesis would be confirmed. I combined the results of the genetic analysis with investigations about ecological habitat preferences via vegetation relevés and soil analysis. Fitness-related morphological traits like seed size, seed set, leaf and cushion size and environmental variables were measured. Correlations between all variables were calculated to detect significant relationships.

. There are three different genetic groups within the main distribution area of S. pumila: A central-eastern group separated from the central-western group by the Mur valley and a westernmost group. More rare alleles are found in formerly unglaciated areas in the East, identify it as the "rear edge" and less rare alleles are found in the westernmost “leading edge”. In some way the Central-Marginal model applies as well because genetic diversity is still highest in central populations but - caused by historic climate events - the core of diversity is shifted towards the east. Genetic variation seems to have an impact on fitness-related morphological and environmental traits such as cushion size and competitiveness of surrounding vegetation. It is assumed that this relationship limits the species range expansion in genetically depauperate western populations.