Influence of pollination and seed dispersal on the genetic population structure of two Commiphora species in Madagascar and South Africa

Pollination and seed dispersal are important ecological processes for the regeneration of plant populations and both vectors for gene exchange between plant populations. For my thesis, I studied the pollination ecology of the South African tree Commiphora harveyi (Burseraceae) and compared it with C. guillauminii from Madagascar. Both species have low visitation rates and a low number of pollinating insect species, resulting in a low fruit set. While their pollination ecology is very similar, they differ in their seed dispersal with a low seed dispersal rate in the Malagasy and a high seed dispersal rate in the South African species. This should be reflected in a stronger genetic differentiation among populations in the Malagasy than in the South African species. My results, based on AFLP markers, contradict these expectations, the overall differentiation was lower in the Malagasy (FST = 0.05) than in the South African species (FST = 0.16). However, at a smaller spatial scale (below 3 km), the Malagasy species was genetically more strongly differentiated than the South African species, which was reflected by the high inter-population variance within the sample site (C. guillauminii: 72.2 - 85.5 %; C. harveyi: 8.4 - 14.5 %). This strong differentiation could arise from limited gene flow, which was confirmed by spatial autocorrelation analyses. The shape of the autocorrelogram suggested that gene exchange between individuals occurred only up to 3 km in the Malagasy species, whereas up to 30 km in the South African species. These results on the genetic structure correspond to the expectations based on seed dispersal data. Thus, seed dispersal seems to be a key factor for the genetic structure in plant populations on a local scale.

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.

Genetic dynamics across early life stages in the tropical tree Prunus africana (Rosaceae)

In many plant species, the genetic template of early life-stages is formed by animal-mediated pollination and seed dispersal and has profound impact on further recruitment and population dynamics. Understanding the impact of pollination and seed dispersal on genetic patterns is a central issue in plant population biology. In my thesis, I investigated (i) contemporary dispersal and gene flow distances as well as (ii) genetic diversity and spatial genetic structure (SGS) across subsequent recruitment stages in a population of the animal-pollinated and dispersed tree Prunus africana in Kakamega Forest, West Kenya. Using microsatellite markers and parentage analyses, I inferred distances of pollen dispersal (father-to-mother), seed dispersal/maternal gene flow (mother-to-offspring) as well as paternal gene flow (father-to-offspring) for four early life stages of the species (seeds and fruits, current year seedlings, seedlings ≤ 3yr, seedlings > 3yr). Distances of pollen and seed dispersal as well as paternal gene flow were significantly shorter than expected from the spatial arrangement of trees and sampling plots. They were not affected by the density of conspecific trees in the surrounding. At the propagule stage, mean pollen dispersal distances were considerably (23-fold) longer than seed dispersal distances, and paternal gene flow distances exceeded maternal gene flow by a factor of 25. Seed dispersal distances were remarkably restricted, potentially leading to a strong initial SGS. The initial genetic template created by pollination and seed dispersal was extensively altered during later recruitment stages. Potential Janzen-Connell effects led to markedly increasing distances between offspring and both parental trees in older life stages. This showed that distance and density-dependent mortality factors are not exclusively related to the mother tree, but also to the father. Across subsequent recruitment stages, the pollen to seed dispersal ratio and the paternal to maternal gene flow ratio dropped to 2.1 and 3.4, respectively, in seedlings > 3yr. The relative changes in effective pollen dispersal, seed dispersal, and paternal gene flow distances across recruitment stages elucidate the mechanisms affecting the contribution of the two processes pollen and seed dispersal to overall gene flow. Using the same six microsatellite loci, I analyzed genetic diversity and SGS across five life stages, from seed rain to adults. Levels of genetic diversity within the studied P. africana population were comparable to other Prunus species and did not vary across life stages. In congruence with the short seed dispersal distances, I found significant SGS in all life stages. SGS decreased from seed and early seedling stages to older juvenile stages, and it was higher in adults than in late juveniles of the next generation. A comparison of the data with direct assessments of contemporary gene flow patterns indicate that distance- or density-dependent mortality, potentially due to Janzen-Connell effects, led to the initial decrease in SGS. Intergeneration variation in SGS could have been driven by variation in demographic processes, the effect of overlapping generations, and local selection processes. Overall, my study showed that complex sequential processes during recruitment contribute to the spatial genetic structure of tree populations. It highlights the importance of a multistage perspective for a comprehensive understanding of the impact of animal-mediated pollen and seed dispersal on spatial population dynamics and genetic patterns of trees.

Structure and properties of nanostructures from polyelectrolytes and porphyrins: Self-Assembly in aqueous solution

In this work self-assembling model systems in aqueous solution were studied. The systems contained charged polymers, polyelectrolytes, that were combined with oppositely charged counterions to build up supramolecular structures. With imaging, scattering and spectroscopic techniques it was investigated how the structure of building units influences the structure of their assemblies. Polyelectrolytes with different chemical structure, molecular weight and morphology were investigated. In addition to linear polyelectrolytes, semi-flexible cylindrical bottle-brush polymers that possess a defined cross-section and a relatively high persistence along the backbone were studied. The polyelectrolytes were combined with structural organic counterions having charge numbers one to four. Especially the self-assembly of polyelectrolytes with different tetravalent water-soluble porphyrins was studied. Porphyrins have a rigid aromatic structure that has a structural effect on their self-assembly behavior and through which porphyrins are capable of self-aggregation via π-π interaction. The main focus of the thesis is the self-assembly of cylindrical bottle-brush polyelectrolytes with tetravalent porphyrins. It was shown that the addition of porphyrins to oppositely charged brush molecules induces a hierarchical formation of stable nanoscale brush-porphyrin networks. The networks can be disconnected by addition of salt and single porphyrin-decoratedrncylindrical brush polymers are obtained. These two new morphologies, brush-porphyrin networks and porphyrin-decorated brush polymers, may have potential as functional materials with interesting mechanical and optical properties.

Problem-specific design of metaheuristics for constrained spanning tree problems

When designing metaheuristic optimization methods, there is a trade-off between application range and effectiveness. For large real-world instances of combinatorial optimization problems out-of-the-box metaheuristics often fail, and optimization methods need to be adapted to the problem at hand. Knowledge about the structure of high-quality solutions can be exploited by introducing a so called bias into one of the components of the metaheuristic used. These problem-specific adaptations allow to increase search performance. This thesis analyzes the characteristics of high-quality solutions for three constrained spanning tree problems: the optimal communication spanning tree problem, the quadratic minimum spanning tree problem and the bounded diameter minimum spanning tree problem. Several relevant tree properties, that should be explored when analyzing a constrained spanning tree problem, are identified. Based on the gained insights on the structure of high-quality solutions, efficient and robust solution approaches are designed for each of the three problems. Experimental studies analyze the performance of the developed approaches compared to the current state-of-the-art.

Wet bioadhesion in tree frogs

Viele Tiere wie etwa Geckos oder Laubfrösche können mittels ihrer Haftscheiben an Oberflächen kleben. Diese Haftscheiben ermöglichen es den Tieren, sich während ihrerrnFortbewegung an Oberflächen anzuheften und wieder zu lösen unabhängig von denrnvorherrschenden Umweltbedingungen. Frösche besitzen mikro- und nanostrukturierternsowie charakteristisch geformte Haftscheiben an Finger- und Zehenenden. Ihre besonderernevolutionäre Errungenschaft, sich stark und zugleich reversibel in sowohl trockenen alsrnauch feuchten Umgebungen anzuhaften, hat die Wissenschaft zur Nachahmung und Untersuchungrndieser Strukturen inspiriert. Zum besseren Verständnis der Mechanismen vonrnAnhaftung und Loslösung bei Laubfröschen wurden weiche, elastische und mikrostrukturierternOberflächen hergestellt, indem PDMS (Polydimethylsiloxan) auf einer Siliziummaskernmit Hexagonstruktur aufgetragen und vernetzt wurde. Dadurch wurden Anordnungenrnvon hexagonalen Mikrosäulen mit spezifischen geometrischen Eigenschaften undrnunterschiedlichen Kontaktgeometrien (normale, flache Form, T-Form und konkave Formrnder Säulenenden) erhalten. Um den Einfluss der van-der-Waals, hydrodynamischen,rnKapillar-und Adhäsionskräfte zu verstehen, wurden verschiedene experimentelle Ansätzernverfolgt: Die auf eine einzelne Säule wirkenden Adhäsionskräfte wurden mittelsrnRasterkraftmikroskopie gemessen. Dazu wurden speziell hergestellte kolloidale Sensorenrnverwendet. Diese Experimente wurden sowohl mit als auch ohne Flüssigkeitsfilm auf derrnSäule durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten den Beitrag von Kapillarkraft und direktenrnKontaktkräften zur Adhäsionskraft bei Vorliegen eines Flüssigkeitsfilms. Die Adhäsionrnfiel umso größer aus, je weniger Flüssigkeit zwischen Sensor und Säule vorhanden war.rnIm Falle einer trockenen Adhäsion zeigte die Säule mit T-Form die höchste Adhäsion. Darndie Haftscheiben der Laubfrösche weich sind, können sie dynamisch ihre Form ändern,rnwas zu einer Änderung der hydrodynamischen Kraft zwischen Scheibe und Oberflächernführt. Der Einfluss der Oberflächenverformbarkeit auf die hydrodynamische Kraft wurderndaher am Modellsystem einer Kugel untersucht, welche sich einer weichen und ebenenrnOberfläche annähert. Dieses System wurde sowohl theoretisch über die Simulation finiterrnElemente als auch experimentell über die Messung mit kolloidalen Sonden untersucht.rnSowohl experimentelle Ergebnisse als auch die Simulationen ergaben eine Abnahme derrnhydrodynamischen Kraft bei Annäherung des kolloidalen Sensors an eine weiche undrnelastische Oberfläche. Beim Entfernen der Sensors von der Oberfläche verstärkte sichrndie hydrodynamische Anziehungskraft. Die Kraft, die zur Trennung eines Partikels von einer Oberfläche in Flüssigkeit notwendig ist, ist für weiche und elastischen Oberflächenrngrößer als für harte Oberflächen. In Bezug zur Bioadhäsion bei Laubfröschen konnternfestgestellt somit festgestellt werden, dass sich der hydrodynamische Anteil zur feuchtenrnBioadhäsion aufgrund der weichen Oberfläche erhöht. Weiterhin wurde der Einflussrndes Aspektverhältnisses der Säulen auf die Reibungskraft mittels eines kolloidalen Sensorsrnuntersucht. Gestreckte Säulen zeigten dabei eine höhere Reibung im Vergleich zu.rnSäulen mit einem gestreckten Hexagon als Querschnitt.