Revision of the genus Fosterella (Bromeliaceae)

Die vorliegende Arbeit stellt eine umfassende taxonomische Revision der Gattung Fosterella L.B. Sm. (Bromeliaceae) dar, die alle 31 derzeit akzeptierten Arten umfasst und einen Bestimmungsschlüssel für diese beinhaltet. Die Revision beruht auf der morphologisch-anatomischen Auswertung von Herbarmaterial (über 800 Exsikkate), Lebendpflanzen (ca. 150 Akzessionen) und eigenen vergleichenden Untersuchungen im Freiland. Die Gattung Fosterella ist seit nunmehr etlichen Jahren Forschungsgegenstand einer interdisziplinären Studie, die sowohl molekulrae, als auch anatomische, morphologische und biogeographische Untersuchungen einbezieht. Unser Interesse an der Gattung Fosterella gründet sich auf ihrer enormen ökologischen und biogeographischen Vielfalt, sie gilt als hervorragendes Modellsystem für Artbildungsmechanismen in den Anden. In den letzten Jahren wurde von verschiedenen molekularen Methoden Gebrauch gemacht, um die verwandtschaftlichen Beziehungen innerhalb der Gattung zu untersuchen, so dass mittlerweile gut aufgelöste Stammbäume vorliegen. Diese molekularen Studien, überwiegend durchgeführt von Dr. Martina Rex, wurden ergänzt durch intensive Sammelaktivitäten und eingehende taxonomische Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Revision. Auf diese Weise konnten die morphologische Plastizität der einzelnen Arten erfasst und schließlich ein wohlfundiertes Artkonzept vorgelegt werden. Zunächst wird ein kurzer Überblick über die Familie der Bromeliaceen als auch die Gattung Fosterella gegeben, in dem jeweils Informationen zur Verbreitung, Morphologie, Physiologie, Ökologie und Phylogenie geliefert werden. Im Anschluss an einen historischen Überblick des taxonomischen Werdegangs wird die Abgrenzung der Gattung Fosterella zu den nächstverwandten Gattungen Deuterocohnia, Dyckia und Encholirium erläutert. Die morphologischen Merkmale zur Differenzierung der Arten innerhalb der Gattung werden im Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit und ihr Gewicht diskutiert. Der Artschlüssel basiert auf Merkmalen, die leicht auszumachen und gut zu unterscheiden sind. Bei der ausführlichen Beschreibung der Arten wird auch auf ihre jeweilige Verbreitung, Ökologie, taxonomische Abgrenzung, systematische Verwandtschaft sowie die Etymologie des Namens eingegangen. Beigefügt sind jeweils Zeichnungen, ein Foto vom Holo-/Lectotypus, Fotos von Lebendpflanzen sowie eine Verbreitungskarte. Im Rahmen der taxonomischen Arbeit wurden fünf Arten zu Synonymen reduziert: Fosterella chiquitana Ibisch, R. Vásquez & E. Gross und F. latifolia Ibisch, R. Vásquez & E. Gross wurden in die Synonymie von F. penduliflora (C.H. Wright) L.B. Sm. eingezogen; F. fuentesii Ibisch, R. Vásquez & E. Gross als Synonym zu F. albicans (Griseb.) L.B. Sm. gestellt; F. elata H. Luther in die Synonymie von F. rusbyi (Mez) L.B. Sm. verwiesen und F. nowickii Ibisch, R. Vásquez & E. Gross als Synonym zu F. weddelliana (Brongn. ex Baker) L.B. Sm. gestellt. Fosterella schidosperma (Baker) L.B. Sm. var. vestita L.B. Sm. & Read wird zum Synonym von Fosterella weberbaueri (Mez) L.B. Sm. reduziert. Sechs Arten wurden neu beschrieben: Fosterella batistana Ibisch, Leme & J. Peters; F. christophii Ibisch, R. Vásquez & J. Peters; F. elviragrossiae Ibisch, R. Vásquez & J. Peters; F. kroemeri Ibisch, R. Vásquez & J. Peters; F. nicoliana J. Peters & Ibisch und F. robertreadii Ibisch & J. Peters. Das Taxon F. gracilis (Rusby) L.B. Sm. wurde neu etabliert. Um die Evolution von einzelnen morphologischen Merkmalen zu rekonstruieren, wurden die Zustände von zehn ausgewählten Merkmalen kodiert und auf einen molekularen Stammbaum kartiert. Die folgenden Merkmalszustände wurden als ursprünglich innerhalb der Gattung ermittelt: Stammlosigkeit, ganzrandige Blattspreiten, flache Rosetten mit dem Boden aufliegenden Blättern, locker beschuppte Blattunterseiten, schildförmige Haare mit gezähntem Rand, ganzrandige Pedunkel-Brakteen, rispenförmiger Blütenstand, kahle/verkahlende Blütenstandsachsen, weiße Petalen und einfach-aufrechte Narben. Rückschlüsse bezüglich der Evolution und Ausbreitung der Gattung Fosterella werden diskutiert: Die überwiegend kleinen Verbreitungsgebiete der Arten hängen offensichtlich mit ihren fragmentierten, inselartigen Habitaten (z.B. innerandine Trockentäler) zusammen. Die Tatsache, dass die Yungas-Bergregenwälder des Departamento La Paz, Bolivia, die Region mit der größten Artenvielfalt darstellen, lässt sich mit der extrem variablen Topographie und der außerordentlich hohen Vielfalt an Habitaten dieser Region erklären. Aus folgenden Gründen erscheint es sehr wahrscheinlich, dass die Gattung Fosterella ihren Ursprung im Tiefland hat: Die Mehrheit der Arten weist einen eher mesophytischen Habitus auf und ist in mehr oder weniger humiden Habitaten zu finden. Die Gattung ist durch mehrere Arten in sehr alten Habitaten des präkambrischen Schilds im Tiefland von Zentral-Südamerika vertreten. Weiterhin betreiben, soweit bekannt, alle Fosterella Arten C3 Photosynthese, während in den Gattungen der Schwestergruppe, Deuterocohnia, Dyckia and Encholirium, CAM der verbreitete Photosyntheseweg ist. In jedem Fall ist die Besiedelung der Anden und/oder Tieflandhabitate mehrfach unabhängig voneinander geschehen, vielleicht sogar in beiden Richtungen.

Molekulare Systematik der Gattung Suaeda (Chenopodiaceae) und Evolution des C4-Photosynthesesyndroms

Mit der vorliegenden Arbeit wird eine Synthese aus molekularer Phylogenie und Merkmalsentwicklung für die Unterfamilie Suaedoideae der Chenopodiaceae präsentiert. Anhand von rekonstruierten Stammbäumen aus den Sequenzunterschieden von DNA-Abschnitten zweier unabhängiger Genome (Kern, Chloroplast) werden monophyletische Gruppen herausgearbeitet und die Variabilität der molekularen Merkmale in Bezug auf die bekannten Arten diskutiert. Insgesamt wurden für alle molekularen Analysen 294 Sequenzen ausgewertet. Mit 254 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Suaedoideae und 18 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Salicornioideae wurde eine vergleichende molekulare Analyse mit den DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH durchgeführt. Mit der Einbeziehung von ca. 65 bekannten Suaeda-Arten sind damit je nach Artauffassung bis zu 80% aller Arten der Gattung berücksichtigt. Mittels Fossildaten werden die wichtigsten Divergenzereignisse zeitlich fixiert. Die molekularen Stammbäume dienen weiterhin als Grundlage für die Bewertung der Arten sowie ihrer morphologischen und anatomischen Merkmale. Ein wichtiger Aspekt bildet dabei die Entwicklung der C4-Photosynthese mit den zugehörigen Blatttypen. Die folgenden vier Themenkomplexe bzw. Fragestellungen sollten bearbeitet werden (für ausführliche Darstellung vgl. Kap. 1.3): 1. Monophyletische Gruppen und ihre Beziehungen 2. Prinzipien der Evolution und Artbildung in der untersuchten Gruppe, Abgrenzung der Arten. 3. Entwicklung des C4-Photosynthesesyndroms 4. Entwicklung und Variabilität systematisch relevanter Merkmale Die Ergebnisse der auf vergleichender DNA-Sequenzierung beruhenden molekularen Analyse und die Synthese mit weiteren Daten führen als Resultat der vorliegenden Arbeit zusammenfassend zu folgenden Ergebnissen: 1.) Die drei sequenzierten DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH zeigen im Vergleich eine sehr unterschiedliche Variabilität, ITS ist die variabelste aller Regionen. Die in den Alignments gefundenen Merkmale in Form von Punkt- und Längenmutationen zwischen den Einzelsequenzen waren zahlenmäßig ausreichend und qualitativ geeignet, um mit den drei Verfahren Maximum Parsimony, Maximum Likelihood und Bayes’scher Analyse aussagekräftige und in wesentlichen Aussagen kongruente molekulare Phylogenien zu rekonstruieren. Die Chloroplasten-Daten wurden für die Berechnungen kombiniert. 2.) Die beiden DNA-Regionen ITS und atpB-rbcL evolvieren mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die mit der Glättungsmethode PL berechneten durchschnittlichen Substitutionsraten weisen für ITS eine 5,5fach höhere Substitutionsrate gegenüber atpB-rbcL nach. Die ITS-Sequenzen sind daher wesentlich diverser und für einige Sippen, bei identischen atpB-rbcL-Sequenzen, unterschiedlich. Eine direkte Homologisierung von molekularer und morphologischer Variabilität oder die molekulare Limitierung von Arten ist daher nur in einigen Fällen möglich. 3.) Die Gattungen Suaeda, Alexandra und Borszczowia bilden eine monophyletische Gruppe, die den Salicornioideae als Schwestergruppe gegenübersteht. Dies bestätigt die Ergebnisse der Phylogenie der Chenopodiaceae (Kadereit et al. 2003). Im traditionellen Verständnis ist damit die Gattung Suaeda paraphyletisch. Durch taxonomische Umkombination (Schütze et al. 2003. Kapralov et al. 2006) werden die Gattungen Alexandra und Borszczowia in Suaeda eingegliedert, womit das Monophylie-Kriterium für die Gattung wieder erfüllt ist. Die molekularen Daten unterstützen diese nomenklatorische Neubewertung. Der nachfolgend verwendete Gattungsname Suaeda bezieht sich auf die neue Fassung. 4.) Bienertia gehört nicht in die unter 2.) beschriebene monophyletische Gruppe. Die Stellung dieser Gattung ist intermediär. Im ITS-Baum bildet sie die Schwestergruppe zu den Salicornioideae, im Chloroplasten-Baum diejenige zu Suaeda. Da Bienertia aufgrund morphologischer Merkmale Suaeda ähnlicher ist als den Salicornioideae wird sie in die intern neu gegliederte Unterfamilie der Suaedoideae einbezogen, die weitgehend der in Ulbrich (1934) vertretenen Auffassung entspricht. 5.) Suaeda teilt sich in zwei sehr deutlich getrennte Gruppen, die in einer neuen Gliederung als Untergattungen Brezia und Suaeda definiert werden. Die Trennung datiert mit etwa 30 Mio. Jahren in das Oligozän. Zur Untergattung Brezia gehören alle Arten der Sektion Brezia nach bisheriger taxonomischer Auffassung, die Untergattung Suaeda vereint alle übrigen Arten und wird in weitere Sektionen untergliedert. 6.) Die Untergattung bzw. Sektion Brezia zeigt im ITS-Baum eine deutliche Dreigliederung in 3 Subclades, die allerdings von den Chloroplasten-Bäumen nicht verifiziert wird und auch durch morphologische Merkmale nicht zu rechtfertigen ist. Die Subclades der Untergattung Suaeda entsprechen in Grundzügen den bisherigen Sektionen und sind durch synapomorphe Merkmale gekennzeichnet. Für die Gattung Suaeda leiten sich nach monophyletischen Gruppen oder singulären Linien folgende Sektionen ab: Brezia, Alexandra, Borszczowia, Schanginia, Schoberia Salsina (inkl. der früheren Sektionen Limbogermen, Immersa und Macrosuaeda), Suaeda, Physophora und Glauca (neu). 7.) Hybridisierung und Polyploidisierung sind wichtige Prozesse der sympatrischen Artbildung innerhalb der Suaedoideae und waren wahrscheinlich immer mit Arealerweiterungen gekoppelt. Mehrere Linien sind durch Vervielfachung des Chromosomensatzes charakterisiert, wobei auch die recht seltene Form der Dekaploidie erreicht wird. Vieles spricht dafür, dass sowohl Auto- als auch Allopolyploidie eine Rolle spielt. Auf Autopolyplodie beruhen höchstwahrscheinlich die unterschiedlichen Chromosomenrassen von S. corniculata. Durch Inkongruenzen zwischen Chloroplasten- und ITS (Kern)-Stammbäumen konnten einige Arten mit hoher Wahrscheinlichkeit als etablierte, allopolyploide Hybridsippen identifiziert werden (Suaeda kulundensis, S. sibirica). Es ist damit erwiesen, dass die Diversifizierung durch retikulate Evolution beeinflusst wird. 8.) Die Ergebnisse der molekularen Phylogenien belegen sehr deutlich, dass sich die C4-Photosynthese innerhalb der Suaedoideae viermal unabhängig mit vier vollkommen unterschiedlichen Blatttypen entwickelt hat. Dazu gehören zwei Blatttypen mit single cell C4-photosynthesis, ein bis vor kurzem bei Landpflanzen unbekanntes Phänomen. Innerhalb der Sektionen Schoberia, Salsina und Borszczowia datiert die Entstehung in das späte Miozän, bei Bienertia entstand die C4-Photosynthese möglicherweise noch früher. 9.) Als systematisch äußerst bedeutsame Merkmale haben sich die schon von Iljin (1936a) benutzten Pistill-Formen sowie spezifische Blattmerkmale herausgestellt. Mit diesen Merkmalen können Sektionen, die auf monophyletischen Gruppen beruhen, gut definiert werden. Synapomorphe Merkmale des Pistills sind die Zahl und Ausbildung der Narben sowie die Form ihrer Insertion im Ovar. Bei den Blatttypen sind es vor allem die vier histologisch hoch differenzierten C4-Blatttypen, die als gemeinsam abgeleitetes Merkmal rezenter, teilweise aufgespaltener Linien gewertet werden. 10.) Die früher z.T. überbewerteten Merkmale des Perianths (Verwachsungen, Flügel, Anhänge und Umbildungen) können nur zur Beschreibung einzelner Sippen oder lokaler Gruppen herangezogen werden. Ebenso ist das Merkmal der Lebensformen (Therophyten, Chamaephyten) kaum zur Charakterisierung von Gruppen geeignet. Wie das Beispiel Brezia sehr deutlich zeigt, kam es allein in dieser Gruppe mehrfach zur Entwicklung ausdauernder, verholzender Sippen. Der umgekehrte Prozess fand bei der Entstehung der annuellen S. aegyptiaca und S. arcuata statt. Mit Hilfe von DNA-basierten Stammbäumen ist es in der vorliegenden Arbeit möglich geworden, die evolutionäre Geschichte der Gattung nachzuzeichnen und eine auf monophyletischen Gruppen basierende Gliederung abzuleiten. Damit wird eine Grundlage für ein verbessertes Artkonzept der Gattung Suaeda geschaffen. Für die praktische Taxonomie ist dies aber nur teilweise bedeutend. Die morphologisch nachvollziehbare Abgrenzung von Arten bleibt, gerade in den diversen Sektionen Brezia und Salsina, umstritten und kaum nachvollziehbar. Ein Großteil der Arten hat offenbar keine interspezifischen Kompatibilitätsschranken, es handelt sich daher um Morpho- oder Semispecies, möglicherweise sogar nur geographische Rassen, die allerdings mit schnell evolvierenden DNA-Regionen wie ITS differenzierbar sind. Ausgehend von den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit verbleibt genügend Raum für weiterführende, vertiefende systematische und populationsbiologische Studien.

Effects of transformation processes in 'jubraka' agroforestry systems of the Nuba Mountains, Sudan, on nutrient fluxes

Intensification processes in homegardens of the Nuba Mountains, Sudan, raise concerns about strongly positive carbon (C) and nutrient balances which are expected to lead to substantial element losses from these agroecosystems, in particular via soil gaseous emissions. Therefore, this thesis aimed at the quantification of C, nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) input and output fluxes with a special focus on soil gaseous losses, and the calculation of respective element balances. A further focus in this thesis was rainfall, a valuable resource for rain-fed agriculture in the Nuba Mountains. To minimize negative consequences of the high variability of rainfall, risk reducing mechanisms were developed by rain-fed farmers that may lose their efficacy in the course of climate change effects predicted for East Africa. Therefore, the second objective of this study was to examine possible changes in rainfall amounts during the last 60 years and to provide reliable risk and probability statements of rainfall-induced events of agricultural importance to rain-fed farmers in the Nuba Mountains. Soil gaseous emissions of C (in form of CO2) and N (in form of NH3 and N2O) of two traditional and two intensified homegardens were determined with a portable dynamic closed chamber system. For C gaseous emission rates reached their peak at the onset of the rainy season (2,325 g CO2-C ha-1 h-1 in an intensified garden type) and for N during the rainy season (16 g NH3-N ha-1 h-1 and 11.3 g N2O-N ha-1 h-1, in a traditional garden type). Data indicated cumulative annual emissions of 5,893 kg CO2-C ha-1, 37 kg NH3-N ha-1, and 16 kg N2O-N ha-1. For the assessment of the long-term productivity of the two types of homegardens and the identification of pathways of substantial element losses, a C and nutrient budget approach was used. In three traditional and three intensified homegardens observation plots were selected. The following variables were quantified on each plot between June and December in 2010: soil amendments, irrigation, biomass removal, symbiotic N2 fixation, C fixation by photosynthesis, atmospheric wet and dry deposition, leaching and soil gaseous emissions. Annual balances for C and nutrients amounted to -21 kg C ha-1, -70 kg N ha-1, 9 kg P ha-1 and -117 kg K ha-1 in intensified homegardens and to -1,722 kg C ha-1, -167 kg N ha-1, -9 kg P ha-1 and -74 kg K ha-1 in traditional homegardens. For the analysis of rainfall data, the INSTAT+ software allowed to aggregate long-term daily rainfall records from the Kadugli and Rashad weather stations into daily, monthly and annual intervals and to calculate rainfall-induced events of agricultural importance. Subsequently, these calculated values and events were checked for possible monotonic trends by Mann-Kendall tests. Over the period from 1970 to 2009, annual rainfall did not change significantly for either station. However, during this period an increase of low rainfall events coinciding with a decline in the number of medium daily rainfall events was observed in Rashad. Furthermore, the availability of daily rainfall data enabled frequency and conditional probability calculations that showed either no statistically significant changes or trends resulting only in minor changes of probabilities.