Filogenia e biogeografia de Droseraceae inferidas a partir de caracteres morfológicos e moleculares (18S, atpB, matK, rbcL e ITS)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Molecular evidence for the common origin of snap-traps among carnivorous plants

The snap-trap leaves of the aquatic waterwheel plant (Aldrovanda) resemble those of Venus' flytrap (Dionaea), its distribution and habit are reminiscent of bladderworts (Utricularia), but it shares many reproductive characters with sundews (Drosera). Moreover, Aldrovanda has never been included in molecular phylogenetic studies, so it has been unclear whether snap-traps evolved only once or more than once among angiosperms. Using sequences from nuclear 18S and plastid rbcL, atpB, and matK genes, we show that Aldrovanda is sister to Dionaea, and this pair is sister to Drosera. Our results indicate that snap-traps are derived from flypaper-traps and have a common ancestry among flowering plants, despite the fact that this mechanism is used by both a terrestrial species and an aquatic one. Genetic and fossil evidence for the close relationship between these unique and threatened organisms indicate that carnivory evolved from a common ancestor within this caryophyllid clade at least 65 million years ago.

Phylogeny of subtribe Gentianinae (Gentianaceae): biogeographic inferences despite limitations in temporal calibration points

The subtribe Gentianinae comprises ca. 425 species, most of them within the well-studied genus Gentiana and mainly distributed over the Eurasian continent. Phylogenetic relationships between Gentiana and its closest relatives, the climbing gentians (Crawfurdia, Tripterospermum) and the new genus Metagentiana, remain unclear. All three genera were recently found to be polyphyletic, possibly because of poor sampling of Tripterospermum and Crawfurdia. Highest diversity of Gentianinae occurs in the western Himalaya, but the absence of uncontroversial fossil evidence limits our understanding of its biogeography. In the present study, we generated ITS and atpB-rbcL sequences for 19 species of Tripterospermum, 9 of Crawfurdia and 11 of Metagentiana, together representing about 60 percent of the species diversity of these genera. Our results show that only Metagentiana is polyphyletic and divided into three monophyletic entities. No unambiguous synapomorphies were associated with the three Metagentiana entities. Different combinations of three approximate calibration points were used to generate three divergence time estimation scenarios. Although dating hypotheses were mostly inconsistent, they concurred in associating radiation of Gentiana to an orogenic phase of the Himalaya between 15 and 10 million years ago. Our study illustrates the conceptual difficulties in addressing the time frame of diversification in a group lacking sufficient fossil number and quality.

Non-monophyly of the woody bamboos (Bambuseae; Poaceae): a multi-gene region phylogenetic analysis of Bambusoideae s.s.

The taxonomy of Bambusoideae is in a state of flux and phylogenetic studies are required to help resolve systematic issues. Over 60 taxa, representing all subtribes of Bambuseae and related non-bambusoid grasses were sampled. A combined analysis of five plastid DNA regions, trnL intron, trnL-F intergenic spacer, atpB-rbcL intergenic spacer, rps16 intron, and matK, was used to study the phylogenetic relationships among the bamboos in general and the woody bamboos in particular. Within the BEP clade (Bambusoideae s.s., Ehrhartoideae, Pooideae), Pooideae were resolved as sister to Bambusoideae s.s. Tribe Bambuseae, the woody bamboos, as currently recognized were not monophyletic because Olyreae, the herbaceous bamboos, were sister to tropical Bambuseae. Temperate Bambuseae were sister to the group consisting of tropical Bambuseae and Olyreae. Thus, the temperate Bambuseae would be better treated as their own tribe Arundinarieae than as a subgroup of Bambuseae. Within the tropical Bambuseae, neotropical Bambuseae were sister to the palaeotropical and Austral Bambuseae. In addition, Melocanninae were found to be sister to the remaining palaeotropical and Austral Bambuseae. We discuss phylogenetic and morphological patterns of diversification and interpret them in a biogeographic context.

Plastid genome characterisation in Brassica and Brassicaceae using a new set of nine SSRs.

We report a new set of nine primer pairs specifically developed for amplification of Brassica plastid SSR markers. The wide utility of these markers is demonstrated for haplotype identification and detection of polymorphism in B. napus, B. nigra, B. oleracea, B. rapa and in related genera Arabidopsis, Camelina, Raphanus and Sinapis. Eleven gene regions (ndhB-rps7 spacer, rbcL-accD spacer, rpl16 intron, rps16 intron, atpB-rbcL spacer, trnE-trnT spacer, trnL intron, trnL-trnF spacer, trnM-atpE spacer, trnR-rpoC2 spacer, ycf3-psaA spacer) were sequenced from a range of Brassica and related genera for SSR detection and primer design. Other sequences were obtained from GenBank/EMBL. Eight out of nine selected SSR loci showed polymorphism when amplified using the new primers and a combined analysis detected variation within and between Brassica species, with the number of alleles detected per locus ranging from 5 (loci MF-6, MF-1) to 11 (locus MF-7). The combined SSR data were used in a neighbour-joining analysis (SMM, D (DM) distances) to group the samples based on the presence and absence of alleles. The analysis was generally able to separate plastid types into taxon-specific groups. Multi-allelic haplotypes were plotted onto the neighbour joining tree. A total number of 28 haplotypes were detected and these differentiated 22 of the 41 accessions screened from all other accessions. None of these haplotypes was shared by more than one species and some were not characteristic of their predicted type. We interpret our results with respect to taxon differentiation, hybridisation and introgression patterns relating to the 'Triangle of U'.

Molekulare Untersuchungen zur Phylogenie der Gattung Fosterella (Bromeliaceae)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten mit Hilfe molekularer Techniken die Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Gattung Fosterella (Bromeliaceae) geklaert und eine umfassende Phylogenie erstellt werden. Im Vordergrund standen dabei die folgenden Fragen: Sind die aufgrund von morphologischen Merkmalen bzw. ihrer geographischen Verbreitung bisher beschriebenen 30 Fosterella-Arten auch molekular voneinander abgrenzbar und wie sind die einzelnen Arten miteinander verwandt? Lassen sich innerhalb der Gattung evolutionaere Linien identifizieren? Sind Akzessionen, die bisher noch keiner Art zugeordnet werden konnten, genetisch distinkt? Laesst sich eine Schwestergattung von Fosterella herausstellen? Zwei verschiedene molekulare Techniken, die AFLP-Methode (amplified fragment length polymorphism, Vos et al. 1995) und die vergleichende Sequenzierung verschiedener Mitochondrien- und Chloroplasten-DNA-Regionen wurden zur phylogenetischen Untersuchung der Gattung Fosterella etabliert und optimiert. Diese beiden Methoden wurden anschliessŸend vergleichend fuer die molekularsystematischen Studien eingesetzt. Folgende Ergebnisse konnten erzielt werden: Fuer die erstmals innerhalb der Gattung Fosterella eingesetzte AFLP-Methode wurden acht Primerkombinationen fuer die Hauptanalysen ausgewaehlt. Die AFLP-Bandenmuster erwiesen sich als komplex, distinkt und reproduzierbar und sowohl intra- als auch interspezifisch informativ. Insgesamt wurden mit 77 Proben aus mindestens 18 der bisher beschriebenen 30 Arten 310 informative AFLP-Merkmale erzeugt und mittels verschiedener Analyseverfahren ausgewertet. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgte in Form von Phaenogrammen, Kladogrammen und in einem €ždreidimensionalen Koordinatensystem€œ (Hauptkoordinatenanalyse). Zur statistischen Absicherung wurden Bootstrap-Analysen durchgefuehrt. Die Topologien der einzelnen Baeume untereinander stimmten weitgehend ueberein, wobei sich insgesamt 12 Artengruppen definieren liessŸen, die statistisch unterschiedlich gut abgesichert waren. In einigen Gruppen liessŸen sich enge Verwandtschaftsbeziehungen feststellen, die bis auf wenige Ausnahmen, nicht befriedigend aufgeloest sind. Einige der in diese Untersuchung einbezogenen, bisher noch keiner Art zugeordneten Taxa liessŸen sich z. T. in die entstandenen Artengruppen einordnen oder aufgrund ihrer distinkten Position in den Stammbaeumen vermuten, dass es sich um neue Arten handelt. Fuer die vergleichende DNA-Sequenzierung wurde zunaechst die Eignung verschiedener Chloroplasten- und Mitochondrien-DNA-Regionen getestet. Die Bereiche atpB-rbcL, psbB-psbH und rps16-Intron wurden fuer die vergleichende Sequenzierung der Chloroplasten-DNA als geeignet befunden, waehrend alle untersuchten Mitochondrien-Loci eine so geringe Sequenzvariabilitaet aufwiesen, dass sie nicht weiter in Betracht gezogen wurden. Die drei Chloroplastenloci wurden mit 61 Akzessionen aus 24 der bisher 30 beschriebenen Fosterella-Arten sowie 44 Akzessionen aus sechs der acht Unterfamilien (nach Givnish et al. im Druck) sowohl einzeln, als auch kombiniert ausgewertet. Die Merkmalsmatrix wurde sowohl mit einem Distanzverfahren, als auch mit Maximum Parsimonie-, Maximum Likelihood- und Bayes´schen-Methoden analysiert. Die mit den verschiedenen Methoden erhaltenen Baumtopologien waren weitgehend kongruent. Es konnte gezeigt werden, dass die Gattung Fosterella monophyletisch ist. Zudem besteht eine sehr gut gestuetzte Schwestergruppenbeziehung der Gattung zu einer Gruppe aus den Gattungen Dyckia, Encholirium und Deuterocohnia. Die in Givnish et al. (im Druck) gezeigte Einordnung von Fosterella in die Pitcairnioideae s. str. wurde ebenfalls bestaetigt. Basal laesst sich die Gattung Fosterella in zwei Linien einteilen, von denen eine auf die F. penduliflora-Gruppe entfaellt und die andere alle anderen sechs Gruppen vereint. Insgesamt laesst sich festhalten, dass der GrossŸteil der bisher beschriebenen 30 Fosterella-Arten auch molekular voneinander abgrenzbar ist, sie also genetisch distinkte Taxa (Monophyla) darstellen. Die meisten Spezies lassen sich Artengruppen zuordnen, innerhalb derer die Verwandtschaft allerdings z. T. ungeklaert bleibt. Diese Speziesgruppen bilden monophyletische Linien mit unterschiedlicher statistischer Unterstuetzung. Einige bisher nur morphologisch definierte Taxa zeigen eine enorme genetische Variabilitaet Die Beziehungen zwischen den einzelnen Gruppen der Gattung Fosterella sind zum Teil nur wenig aufgelaest. Die Ergebnisse der beiden in der vorliegenden Arbeit eingesetzten Techniken sind weitgehend kongruent und fuer die Verwandtschaftsanalyse der Gattung Fosterella als geeignet einzustufen. Die Aufloesung der AFLP-Baeume deutet allerdings auf eine noch bessere Nuetzlichkeit fuer die Untersuchung innerhalb der einzelnen Artengruppen hin, waehrend die vergleichende Sequenzierung durch Ergaenzung weiterer Regionen relativ klare Strukturen innerhalb der Gattung Fosterella erkennen laesst (vgl. Rex et al. 2006).

Molekulare Studien zur Evolution der Myrmekophytie in der Gattung Macaranga (Euphorbiaceae)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine detaillierte phylogenetische Analyse der Ameisenpflanzen aus der Gattung Macaranga (Euphorbiaceae) und ihres verwandtschaftlichen Umfelds mit Hilfe von AFLP-Fingerprinting („amplified fragment length polymorphisms“) sowie vergleichender Analyse von mehreren nichtkodierenden Chloroplasten-DNA-Loci vorgenommen. Anhand dieser Untersuchungen sollten im Wesentlichen die folgenden Fragen geklärt werden: (1) Wie stellen sich die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den myrmekophytischen Macaranga-Sektionen Pachystemon, Winklerianae und Pruinosae dar? (2) Wie sind die einzelnen Arten dieser Sektionen miteinander verwandt? (3) Wie oft ist die Lebensweise ”Myrmekophytie” unabhängig voneinander entstanden? Gibt es Hinweise auf Reversionen? (4) Wo liegt genealogisch und auch geographisch der Ursprung der Symbiose zwischen den myrmekophytischen Macaranga-Arten und ihren Partnerameisen? (5) Welche Bedeutung spielen koevolutive Entwicklungen für das Macaranga-Crematogaster-Symbiosesystem? Ist Myrmekophytie im Sinne einer Schlüsselinnovation (Givnish, 1997) als Stimulus für eine adaptive Radiation zu betrachten? (1) Für die AFLP-Analyse wurden 108 Proben aus 43 Macaranga-Arten und 5 unbeschriebenen Morphospezies in die phylogenetische Untersuchung einbezogen. Auf der Basis von 426 Merkmalen wurden Phänogramme sowie Kladogramme rekonstruiert. Zur statistischen Absicherung wurden Bootstrap-Analysen durchgeführt und im Falle der Kladogramme darüber hinaus der „consistency“-Index bestimmt. Die AFLP-Datensätze wurden zusätzlich einer Hauptkomponentenanalyse unterzogen. Mit Hilfe der verschiedenen Untersuchungsmethoden konnten weitgehend übereinstimmende Gruppierungen bzw. evolutive Linien identifiziert werden. Die Sektionen Pachystemon und Pruinosae bilden eine jeweils gut gestützte monophyletische Gruppe. Beide sind vermutlich Schwestergruppen und damit gleich alt. Für die Monophylie der nur aus zwei Arten bestehenden Sektion Winklerianae ergab sich keine Unterstützung. Die Arten der Sektion Pruinosae sind im AFLP-Baum gut aufgelöst. Die nicht myrmekophytische M. gigantea sitzt dabei an der Basis und ist Schwestergruppe zu den myrmekophytischen Arten. Innerhalb der Sektion Pachystemon wurden mit Hilfe der AFLP-Analyse vier gut gestützte Gruppen identifiziert. Für die puncticulata-Gruppe konnte hier erstmals auf molekularer Ebene eine Zugehörigkeit zur Sekt. Pachystemon nachgewiesen werden. Der von Davies (2001) vorgenommene Ausschluss von M. recurvata aus der Sekt. Pachystemon konnte bestätigt werden. Die Verwandtschaftsbeziehungen einzelner Arten zueinander sind in den AFLP-Bäumen nicht aufgelöst. (2) Für die vergleichende Chloroplasten-Sequenzierung wurden nach Maßgabe der Sequenzvariabilität in Testsequenzierungen die Bereiche atpB-rbcL und psbI-trnS für die phylogenetische Untersuchung ausgewählt. Für die Chloroplasten-Phylogenie wurden für jeden Locus mehr als 100 Sequenzen analysiert. Neben 29 Pachystemon-Arten inkl. vier unbekannter Morphospezies, acht Pruinosae-Arten inkl. eines möglichen Hybriden und den beiden Arten der Sekt. Winklerianae wurden 22 weitere Macaranga- und 10 Mallotus-Arten in die Untersuchung einbezogen. Zwischen den südostasiatischen Arten bestanden nur geringe Sequenzunterschiede. Maximum-Parsimonie-Kladogramme wurden rekonstruiert und die Sequenzen der beiden Loci wurden sowohl einzeln, als auch kombiniert ausgewertet. Indels wurden kodiert und als separate Merkmalsmatrix an die Sequenzdaten angehangen. Innerhalb von Macaranga konnten nur wenige abgesicherte Gruppen identifiziert werden. Deutlich war die Zusammengehörigkeit der afrikanischen Arten und ihr Entstehung aus den südostasiatischen Arten. Die von Davies (2001) der Sektion Pruinosae zugeordnete M. siamensis steht deutlich außerhalb dieser Sektion. Die Arten der Sektionen Pruinosae, Pachystemon und Winklerianae bilden keine statistisch gesicherten monophyletischen Gruppen. Während der Pilotstudien stellte sich heraus, dass die Chloroplastensequenzen nahe verwandter Arten der Sektion Pachystemon weniger nach den Artgrenzen, sondern vielmehr nach geographischen Kriterien gruppierten. (3) Es wurde daher zusätzlich eine phylogeographische Analyse der Chloroplasten-Sequenzen auf der Basis eines Parsimonie-Netzwerks durchgeführt. Neben dem atpB-rbcL-Spacer und einer Teilsequenze des psbI-trnS-Locus (ccmp2) wurde dafür zusätzlich der ccmp6-Locus (ein Abschnitt des ycf3-Introns) sequenziert. Die phylogeographische Untersuchung wurde mit 144 Proben aus 41 Macaranga-Arten durchgeführt. Darin enthalten waren 29 Arten (inkl. vier Morphospezies) mit 112 Proben der Sektion Pachystemon, sieben 7 Arten (inkl. eines potentiellen Hybriden) mit 22 Proben der Sekt. Pruinosae und zwei Arten mit 5 Proben der Sekt. Winklerianae. Das voll aufgelöste statistische Parsimonie-Netzwerk umfasste 88 Haplotypen. Die Sektionen Pachystemon und Pruinosae bilden jeweils eine monophyletische Gruppe. Das geographische Arrangement der Haplotypen unabhängig von der Artzugehörigkeit könnte durch Introgression und/oder „lineage sorting“ bedingt sein. Mit Hilfe der im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse kann man davon ausgehen, dass eine enge Ameisen-Pflanzen-Symbiose innerhalb der Gattung Macaranga mindestens drei-, möglicherweise viermal unabhängig voneinander entstanden ist Eine Reversion hat mindestens einmal, möglicherweise häufiger in der bancana-Gruppe stattgefunden. Ob sich die Symbiose dabei in Westmalaysia oder in Borneo entwickelt hat, kann man nicht sicher sagen; Ob und inwieweit die große Artenzahl in der bancana-Gruppe als eine Folge der Myrmekophytie anzusehen ist, bleibt zunächst offen. Wesentliche Teile der vorliegenden Arbeit liegen bereits in publizierter Form vor (AFLP-Analyse: Bänfer et al. 2004; Chloroplasten-Analyse: Vogel et al. 2003; Bänfer et al. 2006).

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.

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.

Diversification of a large genus in a continental biodiversity hotspot: temporal and spatial origin of Muraltia (Polygalaceae) in the Cape of South Africa

Phylogenetic relationships in the largely South African genus Muraltia (Polygalaceae) are assessed based on DNA sequence data (nuclear ribosomal ITS, plastid atpB-rbcL spacer, trnL intron, and trnL-F spacer) for 73 of the 117 currently recognized species in the genus. The previously recognised subgenus Muraltia is monophyletic, but the South African endemic genus Nylandtia is embedded in Muraltia subgenus Psiloclada. Subgenus Muraltia is found to be sister to subgenus Psiloclada. Estimates show the beginning of diversification of the two subgenera in the early Miocene (Psiloclada, 19.3+/-3.4 Ma; Muraltia, 21.0+/-3.5 Ma) pre-dating the establishment of the Benguela current (intermittent in the middle to late Oligocene and markedly intensifying in the late Miocene), and summer-dry climate in the Cape region. However, the later increase in species numbers is contemporaneous with these climatic phenomena. Results of dispersal-vicariance analyses indicate that major clades in Muraltia diversified from the southwestern and northwestern Cape, where most of the species are found today.

Five vicarious genera from Gondwana: the Velloziaceae as shown by molecules and morphology

Background and Aims The amount of data collected previously for Velloziaceae neither clarified relationships within the family nor helped determine an appropriate classification, which has led to huge discordance among treatment by different authors. To achieve an acceptable phylogenetic result and understand the evolution and roles of characters in supporting groups, a total evidence analysis was developed which included approx. 20 % of the species and all recognized genera and sections of Velloziaceae, plus outgroups representatives of related families within Pandanales. Methods Analyses were undertaken with 48 species of Velloziaceae, representing all ten genera, with DNA sequences from the atpB-rbcL spacer, trnL-trnF spacer, trnL intron, trnH-psbA spacer, ITS ribosomal DNA spacers and morphology. Key Results Four groups consistently emerge from the analyses. Persistent leaves, two phloem strands, stem cortex divided in three regions and violet tepals support Acanthochlamys as sister to Velloziaceae s. s., which are supported mainly by leaves with marginal bundles, transfusion tracheids and inflorescence without axis. Within Velloziaceae s. s., an African Xerophyta + Talbotia clade is uniquely supported by basal loculicidal capsules; an American clade, Barbacenia s. l. + Barbaceniopsis + Nanuza + Vellozia, is supported by only homoplastic characters. Barbacenia s. l. (Aylthonia + Barbacenia + Burlemarxia + Pleurostima) is supported by a double sheath in leaf vascular bundles and a corona; Barbaceniopsis + Nanuza + Vellozia is not supported by an unambiguous character, but Barbaceniopsis is supported by five characters, including diclinous flowers, Nanuza + Vellozia is supported mainly by horizontal stigma lobes and stem inner cortex cells with secondary walls, and Vellozia alone is supported mainly by pollen in tetrads. Conclusions The results imply recognition of five genera (Acanthochlamys (Xerophyta (Barbacenia (Barbaceniopsis, Vellozia)))), solving the long-standing controversies among recent classifications of the family. They also suggest a Gondwanan origin for Velloziaceae, with a vicariant pattern of distribution.

Toward a resolution of Campanulid phylogeny, with special reference to the placement of Dipsacales

Broad-scale phylogenetic analyses of the angiosperms and of the Asteridae have failed to confidently resolve relationships among the major lineages of the campanulid Asteridae (i.e., the euasterid II of APG II, 2003). To address this problem we assembled presently available sequences for a core set of 50 taxa, representing the diversity of the four largest lineages (Apiales, Aquifoliales, Asterales, Dipsacales) as well as the smaller ""unplaced"" groups (e.g., Bruniaceae, Paracryphiaceae, Columelliaceae). We constructed four data matrices for phylogenetic analysis: a chloroplast coding matrix (atpB, matK, ndhF, rbcL), a chloroplast non-coding matrix (rps16 intron, trnT-F region, trnV-atpE IGS), a combined chloroplast dataset (all seven chloroplast regions), and a combined genome matrix (seven chloroplast regions plus 18S and 26S rDNA). Bayesian analyses of these datasets using mixed substitution models produced often well-resolved and supported trees. Consistent with more weakly supported results from previous studies, our analyses support the monophyly of the four major clades and the relationships among them. Most importantly, Asterales are inferred to be sister to a clade containing Apiales and Dipsacales. Paracryphiaceae is consistently placed sister to the Dipsacales. However, the exact relationships of Bruniaceae, Columelliaceae, and an Escallonia clade depended upon the dataset. Areas of poor resolution in combined analyses may be partly explained by conflict between the coding and non-coding data partitions. We discuss the implications of these results for our understanding of campanulid phylogeny and evolution, paying special attention to how our findings bear on character evolution and biogeography in Dipsacales.

Seawater carbonate chemistry and combined mechanistic effects of CO2 and light on the N2-fixing cyanobacterium Trichodesmium IMS101, 2010

The marine diazotrophic cyanobacterium Trichodesmium responds to elevated atmospheric CO2 partial pressure (pCO2) with higher N2 fixation and growth rates. To unveil the underlying mechanisms, we examined the combined influence of pCO2(150 and 900 µatm) and light (50 and 200 µmol photons m-2 s-1) on TrichodesmiumIMS101. We expand on a complementary study that demonstrated that while elevated pCO2 enhanced N2 fixation and growth, oxygen evolution and carbon fixation increased mainly as a response to high light. Here, we investigated changes in the photosynthetic fluorescence parameters of photosystem II, in ratios of the photosynthetic units (photosystem I:photosystem II), and in the pool sizes of key proteins involved in the fixation of carbon and nitrogen as well as their subsequent assimilation. We show that the combined elevation in pCO2 and light controlled the operation of the CO2-concentrating mechanism and enhanced protein activity without increasing their pool size. Moreover, elevated pCO2 and high light decreased the amounts of several key proteins (NifH, PsbA, and PsaC), while amounts of AtpB and RbcL did not significantly change. Reduced investment in protein biosynthesis, without notably changing photosynthetic fluxes, could free up energy that can be reallocated to increase N2 fixation and growth at elevated pCO2 and light. We suggest that changes in the redox state of the photosynthetic electron transportchain and posttranslational regulation of key proteins mediate the high flexibility in resources and energy allocation in Trichodesmium. This strategy should enableTrichodesmium to flourish in future surface oceans characterized by elevated pCO2, higher temperatures, and high light.

Phylogenetic analysis of “Volvocacae” for comparative genetic studies

Sequence analysis based on multiple isolates representing essentially all genera and species of the classic family Volvocaeae has clarified their phylogenetic relationships. Cloned internal transcribed spacer sequences (ITS-1 and ITS-2, flanking the 5.8S gene of the nuclear ribosomal gene cistrons) were aligned, guided by ITS transcript secondary structural features, and subjected to parsimony and neighbor joining distance analysis. Results confirm the notion of a single common ancestor, and Chlamydomonas reinharditii alone among all sequenced green unicells is most similar. Interbreeding isolates were nearest neighbors on the evolutionary tree in all cases. Some taxa, at whatever level, prove to be clades by sequence comparisons, but others provide striking exceptions. The morphological species Pandorina morum, known to be widespread and diverse in mating pairs, was found to encompass all of the isolates of the four species of Volvulina. Platydorina appears to have originated early and not to fall within the genus Eudorina, with which it can sometimes be confused by morphology. The four species of Pleodorina appear variously associated with Eudorina examples. Although the species of Volvox are each clades, the genus Volvox is not. The conclusions confirm and extend prior, more limited, studies on nuclear SSU and LSU rDNA genes and plastid-encoded rbcL and atpB. The phylogenetic tree suggests which classical taxonomic characters are most misleading and provides a framework for molecular studies of the cell cycle-related and other alterations that have engendered diversity in both vegetative and sexual colony patterns in this classical family.