Phylogeographie und Populationsgenetik der Arten der Gattung Fosterella (Bromeliaceae) in den südamerikanischen Anden

Die tropischen Anden sind eines der artenreichsten Gebiete der Erde. Fast die Hälfte der 45.000 in diesem Gebiet vorkommenden Gefäßpflanzenarten sind in den Anden endemisch (Myers et al. 2000). Die Gattung Fosterella (Bromeliaceae) ist eine den Anden zugeordnete Pflanzengruppe, denn die meisten ihrer 31 Arten kommen in den Anden vor. Achtzehn Arten sind kleinräumige Endemiten. Fosterella hat damit Modellcharakter für diese Region. In der vorliegenden Arbeit wurde die Evolution der Gattung in Raum und Zeit mithilfe der vergleichenden Sequenzierung von sechs plastidären Loci (atpB-rbcL, matK, psbB-psbH, rpl32-trnL, rps16-trnK, rps16-Intron) und einem nukleären Marker (PHYC) untersucht. Es wurden über 90 Akzessionen von 24 Fosterella-Arten untersucht. Mit 5,6 % informativer Merkmale innerhalb der Gattung war rpl32-trnL der informativste Chloroplastenmarker. Es wurden mit den kombinierten Sequenzdaten eine Maximum Parsimony-, eine Maximum Likelihood- und eine Bayes´sche Analyse berechnet. Weiterhin wurden biogeographische und ultrametrische Untersuchungen durchgeführt. Die 6-Locus-Phylogenie zeigt eine Aufteilung der monophyletischen Gattung Fosterella in sechs Gruppen, von denen vier – die penduliflora-, weddelliana-, weberbaueri- und micrantha-Gruppe - klar monophyletisch und gut gestützt sind. Die albicans- und die rusbyi-Gruppe bilden hingegen einen Komplex. Ultrametrische Analysen legen ein Alter der Gattung von ca. 9,6 Mio. Jahren nahe. Der geographische Ursprung von Fosterella befindet sich nach den vorliegenden biogeographischen Analysen in den Anden und nach der Biom-Analyse zu gleicher Wahrscheinlichkeit entweder in andinen Trockenwäldern (seasonally dry tropical forests, SDTFs) oder in azonalen Standorten des amazonischen Tieflands östlich der Anden. Es gab mehrere Ausbreitungsereignisse, von denen die beiden Fernausbreitungsereignisse nach Mittelamerika (F. micrantha) und in das zentrale Amazonasgebiet (F. batistana) die auffälligsten sind. Die feuchten Bergregenwälder (Yungas) der Anden wurden offenbar mehrfach unabhängig von Fosterella-Arten besiedelt. Insgesamt wurden elf nukleäre Marker (XDH, GS, RPB2, MS, ADH, MS, GLO/PI, CHS, FLO/LFY, NIAi3 und PHYC) auf ihre Anwendbarkeit für molekularsystematische Studien in Fosterella getestet. Davon konnten acht Marker erfolgreich mithilfe einer PCR amplifiziert werden. Die Fragmentgrößen lagen zwischen 350 bp und 1.500 bp. Nur für drei Loci (FLO/LFY, NIAi3 und PHYC) konnten lesbare DNA-Sequenzen in Fosterella erzeugt werden. FLO/LFY zeigte nur 1,5 % Variabilität innerhalb der Gattung. Der NIA-Locus erzeugte bei der Amplifikation mehrere Fragmente, die separat voneinander sequenziert wurden. Der Locus PHYC konnte hingegen aufgrund der guten Amplifizier- und Sequenzierbarkeit für das gesamte Probenset sequenziert werden. Dieser Marker zeigte eine Variabilität innerhalb der Gattung von 10,2 %, davon waren 6,8 % informativ. In der Phylogenie basierend auf PHYC ist Fosterella klar monophyletisch, innerhalb der Gattung zeigt sich jedoch an der Basis eine unaufgelöste Polytomie. Es lassen sich neun mehr oder weniger gut gestützte Artengruppen definieren – rusbyi-, villosula-, albicans-, weddelliana-, penduliflora-, weberbaueri-, micrantha-, robertreadii- und spectabilis-Gruppe - die sich in ihrer Zusammensetzung mit Ausnahme der weddelliana-Gruppe von den nach Chloroplastendaten definierten Gruppen unterscheiden. Viele Arten sind para- oder polyphyletisch, so z. B. F. albicans, F. penduliflora und F. rusbyi. Bei den beiden erstgenannten Arten weisen die unterschiedlichen Stellungen in Chloroplasten- und Kernphylogenie auf Hybridisierungsereignisse hin.

Etablierung von Mikrosatellitenmarkern für die Pitcairnioideae (Bromeliaceae) und ihre Anwendung für populationsgenetische Fragestellungen

Die neotropisch verbreitete Unterfamilie der Pitcairnioideae (Bromeliaceae) besteht aus den Gattungen Dyckia, Deuterocohnia, Encholirium, Fosterella und Pitcairnia. Viele der mehr als 630 Arten dieser Unterfamilie weisen eine beträchtliche morphologische Plastizität auf, was oftmals eine sichere Artbestimmung erschwert. Um den Genfluss zwischen benachbarten Populationen bzw. nah verwandten Arten ermitteln zu können und somit mögliche Hinweise auf Artbildungsprozesse und Artabgrenzung zu erhalten, sind hochsensitive molekulare Marker erforderlich. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Entwicklung von Mikrosatellitenmarkern sowie ihre beispielhafte Anwendung für populationsgenetische Fragestellungen innerhalb der Pitcairnioideae. Als Quelle für diese Marker diente zum einen eine öffentliche ’expressed sequence tag’ (EST)-Datenbank von Ananas comosus, zum anderen wurden die drei Bromelienarten Fosterella rusbyi, Dyckia marnier-lapostollei und Deuterocohnia longipetala mittels der 454-Technik partiell sequenziert. Beide Ansätze lieferten insgesamt 164.137 Rohsequenzen, auf deren Basis einige tausend perfekte Mikrosatelliten identifiziert und zahlreiche flankierende PCR-Primerpaare sowohl für das Kern- als auch das Chloroplastengenom abgeleitet wurden. Nach umfangreichen Funktionalitätstests mit Fokus auf interspezifischer Übertragbarkeit sowie intraspezifischer Variabilität der Mikrosatellitenloci in der jeweiligen Zielart wurden schließlich 48 nukleäre und sieben plastidäre Mikrosatellitenmarker etabliert. Das Potenzial der nukleären Mikrosatellitenmarker zur Abgrenzung nah verwandter und morphologisch sehr ähnlicher Arten innerhalb der Pitcairnioideae wurde zum einen in den im Nordosten Brasiliens verbreiteten Arten Dyckia pernambucana, Dy. limae, Dy. dissitiflora und Dy. macedoi durch die Genotypisierung von insgesamt 89 Individuen von neun natürlichen Standorten überprüft. Hierbei konnte basierend auf den Alleldaten an 15 nukleären 454-Mikrosatellitenloci eindeutig zwischen dem Artenkomplex ’Dy. limae/Dy. pernambucana’ auf der einen Seite und Dy. dissitiflora bzw. Dy. macedoi auf der anderen Seite unterschieden werden, eine Abtrennung der Arten Dy. limae und Dy. pernambucana war hingegen mit keiner der verwendeten Auswertemethoden möglich, was darauf hindeutet, dass es sich hierbei nicht um getrennte Arten handelt. Zum anderen wurden 190 Individuen von 28 natürlichen Standorten der in Bolivien bzw. Zentralamerika heimischen und morphologisch sehr ähnlichen Arten Fosterella christophii, F. villosula und F. micrantha untersucht. Unter Verwendung von je vier nukleären EST- und 454-Mikrosatellitenmarkern und verschiedenen Clusteranalysen konnten zwei genetisch voneinander getrennte und geographisch determinierte Gruppen definiert werden. Dabei umfasste die größere der beiden Gruppen alle drei Arten, deren Siedlungsbereich neben einem Areal in den bolivianischen Departamentos Beni, La Paz und Cochabamba auch das gesamte Verbreitungsgebiet von F. micrantha in Zentralamerika beinhaltete. Die zweite, kleinere Gruppe enthielt nur Populationen von F. christophii und F. villosula und war auf eine relativ kleine Region im bolivianischen Departamento Santa Cruz beschränkt. Innerhalb von Bolivien liegt dieser Verteilung möglicherweise eine genetische Barriere im Bereich des Andenknicks zugrunde, infolge welcher alle Populationen südlich und nördlich dieser Region weitgehend unabhängig von ihrer Artzugehörigkeit gruppieren. Eine klare Trennung der drei Arten war nicht möglich, sodass davon ausgegangen werden kann, dass der Artbildungsprozess innerhalb der sog. ’micrantha-Gruppe’ noch keineswegs abgeschlossen ist. In einem dritten Ansatz wurden 15 nukleäre und sieben plastidäre Mikrosatellitenmarker zur Genotypisierung von 253 Individuen aus 30 natürlichen Populationen von Fosterella rusbyi eingesetzt. Damit sollte die Verteilung der genetischen Diversität und der Genfluss zwischen den Populationen dieser in den bolivianischen Anden inselartig verbreiteten Art untersucht werden. Die einzelnen Populationen erwiesen sich als genetisch deutlich voneinander differenziert, wobei nahezu jede Population durch eine individuelle Kombination von Genotypen charakterisiert war. Auf Ebene der Populationen wurde weiterhin ein deutliches Heterozygoten-Defizit über nahezu alle Loci ermittelt, was am ehesten durch Faktoren wie Inzucht und Selbstbestäubung in Kombination mit einer Tendenz zu klonalem Wachstum erklärt werden kann. Mögliche Gründe für den eingeschränkten Genfluss zwischen den Populationen werden diskutiert.

Microsatellites from Fosterella christophii (Bromeliaceae) by de novo transcriptome sequencing on the Pacific Biosciences RS platform

• Premise of the study: Microsatellite markers were developed in Fosterella christophii (Bromeliaceae) to investigate the genetic diversity and population structure within the F. micrantha group, comprising F. christophii, F. micrantha, and F. villosula. • Methods and Results: Full-length cDNAs were isolated from F. christophii and sequenced on a Pacific Biosciences RS platform. A total of 1590 high-quality consensus isoforms were assembled into 971 unigenes containing 421 perfect microsatellites. Thirty primer sets were designed, of which 13 revealed a high level of polymorphism in three populations of F. christophii, with four to nine alleles per locus. Each of these 13 loci cross-amplified in the closely related species F. micrantha and F. villosula, with one to six and one to 11 alleles per locus, respectively. • Conclusions: The new markers are promising tools to study the population genetics of F. christophii and to discover species boundaries within the F. micrantha group.