Apomixis in Nordamerikanischen Arabis-Arten

Forschungsprojekt P 14463Apomixis in Nordamerikanischen Aiabis-ArtenMarcus KOCH08.05.2000 Innerhalb des Pflanzenreiches ist Apomixis eine Eigenschaft, die Wissenschaftler schon seit langem intensiv beschäftigt. Insbesondere in den letzten Jahren werden vermehrt Anstrengungen unternommen, die evolutionären Grundlagen dieser Eigenschaft zu verstehen. Es gibt zahlreiche Hinweise, daß in einigen Sippen die genetische Grundlage recht einfach ist und nur wenige oder gar nur ein Gen beteiligt ist. Die agronornische Bedeutung der Apomixis ist groß, denn prinzipiell eröffnet sich hier die Möglichkeit zur Propagierung von Saatgut unter Umgehung von Genfluß zwischen Individuen. Innerhalb der dikotylen Pflanzen ist Apomixis weitgehend beschreibend untersucht worden, bzw. es wurde der Einfluß auf die Populationsstruktur auf einem eher deskriptivern Niveau untersucht. In der Familie der Kreusblütler (Brassicaceae) zeigt die molekular-genetische Modellpflanze Arabidopsis thaliana dieses Merkmal nicht, sodaß Apomixis nicht direkt in Arabidopsis untersucht werden kann und nicht auf das enorme Grundlagenwissen zurückgegeriffen werden kann, um den genetischen Hintergrund aufzuklären oder Aussagen über die evolutive Bedeutung dieser Eigenschaft zu erlangen. Allerdings findet sich Apomixis in Verwandten Arabis Arten aus Nordamerika. In dieser in ganz Nordamerika mit etwa 50 Arten verbreiteten Gattung ist Apomixis weit verbreitet. Mehr als 10% der Arten sind nur als Triploide bekannt und Apomixis ist der wahrscheinlichste Weg der Samenproduktion. Weitere 20% sind als Diploide und Triploide bekannt, was eventuell auf wechselnde Befruchtungssysteme schließen läßt. Desweiteren kommen auch Tetraploide in einigen Sippen vor. Es ist also zu vermuten, daß Apomixis eine zentrale Rolle bei der Differenzierung und Artbildung in dieser Gruppe gespielt haben. In diesem Projekt soll die genetische Diversität von Arabis hoelboellii und Arabis drummondii mit Hilfe molekularer Marker untersucht werden. Das Ausmaß von Apomixis innerhalb von Populationen hat größeren Einfluss auf die Gesamtverteilung der genetischen Variabilität. Ein phylogenetisches Netzwerk von Populationen basierend auf molekularen Markern soll Aufschluß geben über die Möglichkeit der Entstehung und Etablierung von Apomixis in unterschiedlichen Populationen. Die Korrelation der geographischen Verteilung von molekularer Variabilität, Apomixis und der genetischen Distanzen zwischen Populationen soll helfen, Antworten über die pleistozäne Evolution, Biogeographie und Artbildung zweier Artkomplexe, die zudem ober Hybride miteinander verbunden sind, zu bekommen.

Der Einsatz der molekularen DNA-Analyse erlaubt weitreichende Möglichkeiten der Rekonstruktion organismischer Evolutiongeschichte. Im Falle der hier untersuchten Evolution der nordamerikanischen Brassicaceen-Arten Arabis drummondii, Arabis holboellii und von dessen Hybrid Arabis divaricarpa wurde eine Kombination aus Chloroplasten- (trnL intron, trnL-trnF IGS, rpoC1 intron) und Kernmarkern (nukleare ribosomale ITS, Mikrosatelliten) gewählt, die durch Befunde von Pollengrößen und -qualität ergänzt wurden. Der Ansatz erlaubte Aussagen über die Stammesgeschichte der Artengruppe, ihrer Phylogeographie, d.h. der Interpretation geographischer Verbreitung genetischer Variation vor dem Hintergrund ihrer Stammesgeschichte, das zeitliche und räumliche Auftreten von Hybridisierungen, der genetischen Differenzierungen zwischen den Arten sowie über deren genetische Diversität, genomische Zusammensetzung und das Fortpflanzungssystem. So wurde gezeigt, daß Hybridisierung und Agamospermie jeweils eine zentrale Rolle in der Radiation dieser Artengruppe gespielt haben. In zahlreichen A. divaricarpa sowie einigen A. holboellii Herkünften wurde das Auftreten unterschiedlicher intraindividueller ITS Typen nachgewiesen. Eine Analyse der genetisch konservierten Bereiche sowie der Sekundärstruktur der ITS Region ergaben jedoch keine Hinweise darauf, daß die unterschiedlichen ITS Typen der Hybriden nach einem bevorzugten Modus evoluieren. Alle molekularen Datensätze zeigen, daß A. drummondii und A. holboellii genetisch voneinander klar abgegrenzt sind, jedoch Introgression gelegentlich zwischen ihnen auftritt. Eine Analyse der Stammesgeschichte basierend auf Chloroplasten-DNA ermittelte, daß A. drummondii eine einheitliche Entwicklungslinie darstellt, A. holboellii hingegen Chloroplastentypen verschiedener evolutiver Linien trägt. Chloroplasten- und Kernmarker stimmen darin überein, daß A. divaricarpa in jüngerer Zeit und mehrfach entstanden sein muß. Mittels einer nested clade analysis (NCA) wurden die folgenden phylogeographischen Hypothesen erstellt: (i) Fragmentationen des Areals von A. holboellii in der Vergangenheit hatten eine genetische Differenzierung zwischen der Sierra Nevada, den südlichen Rocky Mountains und dem Colorado Plateaus einerseits und den zentralen bis nördlichen Rocky Mountains der USA sowie dem angrenzenden Kaskadengebirge andererseits zur Folge. (ii) Rekolonisierung der eiszeitlich vergletscherten Gebiete durch drei Haplotypen; und (iii) "Restricted gene flow by isolation by distance" in den Gebieten südlich der maximalen Ausdehnung des geschlossenen Eisschildes der Wisconsin Vereisung; Die höchste genetische Diversität wurde für die Rocky Mountains im Gebiet zwischen Idaho und Montana bis Utah und Colorado festgestellt. Dieses Gebiet dürfte daher eine bedeutende Rolle in der Genese der beiden Elternarten gespielt haben und ein wichtiges Eiszeitrefugium gewesen sein. Desweiteren wurden Hinweise auf eiszeitliche Refugien in arktischen und borealen Gebieten (Alaska sowie im Gebiet der Großen Seen) gefunden. Basierend auf Mikrosatelliten-Daten wurde festgestellt, daß A. drummondii im nordöstlichen Nordamerika von ihren westlichen Vorkommen genetisch abgegrenzt ist. An der Entstehung polyploider A. holboellii war Hybridisierung zwischen genetisch distinkten Linien beteiligt. Die Häufigkeit polyploider A. holboellii nimmt innerhalb der USA deutlich von Norden nach Süden hin ab. Dieser Trend korreliert mit dem Vorkommen abgeleiteter Plastidentypen im Süden und macht wahrscheinlich, daß Polyploidie, vermutlich in Verbindung mit Agamospermie (ungeschlechtlicher Fortpflanzungs mittels Samen), einen evolutiven Vorteil bei der Besiedelung der Sierra Nevada und der südlichen Rocky Mountains dargestellt hat. Somatische Ploidiestufen konnten erfolgreich mittels eines Vergleiches von Pollengrößen mit der Allelzahl an sieben Mikrosatelliten Loci ermittelt werden.