Detailansicht

Geographical parthenogenesis

a case study on evolution, reproduction and genetic diversity of Ranunculus kuepferi

Anne-Caroline Cosendai

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Elvira Hörandl

Volltext herunterladen
Volltext in Browser öffnen

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30311.25608.725670-6

Link zu u:search

(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Diese Dissertation hat zum Ziel, das Phänomen der geographische Parthenogenese (GP) zu verstehen. GP bedeutet, dass sexuelle und asexuelle Populationen desselben Artkomplexes nicht die gleiche geographische Verbreitung aufweisen. Im allgemeinen besetzen asexuelle Populationen höhere Lagen und Breitengrade, und sind weiter verbreitet. Geographische Parthenogenese kombiniert verschiedene Aspekte, die für das Verständnis der Verbreiungsmuster betrachtet werden müssen: das Repoduktion-System, Polyploidisierung, genetische Diversität und die Fähigkeit zur Kolonisierung. Die alpine Art Ranunculus kuepferi ist als Modell zum Studium der geographischen Parthenogenese geeignet, da polyploide, asexuelle Populationen im gesamten Alpengebiet weit verbreitet sind, während die diploiden sexuellen Populationen auf glaziale Refugien beschränkt sind. Ich habe verschiedene Formen der Reproduktion und die Stabilität der Zytotypen mittels Flow Cytometry (FC) und Durchflusszytometrie an Samen (FCSS) untersucht. Die Herkunft der Polyploidisierung und die genetische Vielfalt der Populationen wurde mit molekular-biologischen Methoden, mit Amplified Fragment Length Polymorphism (AFLPs; dominante Marker) und Mikrosatelliten (SSR; kodominanten Marker) analysiert. Diese Studien wurden an 60 Populationen aus dem ganzen Verbreitungsgebiet dieser Art durchgeführt. All diese Marker haben dazu beigetragen, Aufschluss über die genetische Struktur und den Einfluss der Reproduktion auf die Entstehung von geographischer Parthenogenese zu erhalten. Die drei Kapitel der Arbeit behandeln die verschiedenen Aspekte wie folgt: Die Stabilität der Zytotypen wurde mittels FC, der Fortpflanzungsmodus mittels FCSS bestimmt. Diese Analyse ergab, dass die diploiden Populationen stabil und voll sexuell bleiben. Triploide individuen kommen in der Kontaktzone vor und sind ein Produkt von Rückkreuzungen zwischen diploiden und tetraploiden Populationen. Außerhalb der Kontaktzone weisen in tetraploiden Populationen c. 30% der Samen triploide Embryos auf, aber triploide erwachsene Pflanzen treten nur einmal im ganzen tetraploiden Verbreitungsgebiet auf. Die Mehrheit der Tetraploiden behält eine stabile Ploidiestufe mittels gametophytischer Apomixis, wobei die Bildung des Endosperms entweder pseudogam oder autonom erfolgt. Einige wenige Prozent der Samen der tetraploiden Pflanzen sind auf sexuellem Weg entstanden. Polyploidisierung kann eine Erklärung geben, warum Apomixis in der Art Ranunculus kuepferi entstanden ist. Die autopolyploide Herkunft der Tetraploiden wurde mittels Bayesian-Analyse der Populations-Struktur (BAPS) Analyse der SSRs nachgewiesen. Damit konnte gezeigt werden, dass die tetraploiden aus diploiden Populationen ohne den Beitrag eines anderen Genoms entstanden sind. Die tetraploiden entstanden mehrfach von diploiden Populationen, da sie fast keine genetischen Unterschiede und nur wenige neue SSRs-Allele zeigen. AFLPs bestätigen in einer Neighbor Joining Analyse, dass diploide und tetraploide Populationen den gleichen Gen-Pool aufweisen. Daher ist der geographische Erfolg der Apomikten nicht auf den Beitrag eines neuen Genoms zurückzuführen, wie es in Allopolyploiden anzunehmen ist. Apospory scheint die Probleme in der Meiose, die durch Multivalentbildung verursacht wird, zu überwinden, was vom Vorkommen von Genotypen mit multiple Allelen in den SSR Loci angenommen werden kann. Diese ungewöhnliche Kombination von Autopolyploidie und Aposporie stabilisiert das Reproduktionssystem und damit die Ploidiestufe. Die Auswirkung von Reproduktionssystem und der genetischen Diversität der Populationen wurden durch die Verwendung von AFLPs und SSRs untersucht. Tetraploide Populationen von Ranunculus kuepferi haben die Selbst-Inkompatibilität verloren, wodurch pseudogame Selbstbestäubung ermöglicht wird, während die diploiden selbst-inkompatibel bleiben. Daher können Apomikten leichter neue Populationen, potentiell sogar mit einem einzigen Samen gründen, und zeigen damit eine bessere Fähigkeit zur Kolonisierung. Eine BAPS Analyse der AFLP Daten bestätigt, dass die Apomikten populationsspezifische Gen-Pools aufweisen, die wahrscheinlich auf mehrfache Gründer-Effekte zurückzuführen sind. Diploide sexuelle Populationen hätten den Vorteil einer höheren genetischen Vielfalt durch Rekombination. Mein Ergebnis zeigt eine genetische Diversität, die typisch für sexuelle auskreuzende Arten ist. Die tetraploiden Apomikten weisen jedoch ein gleiches Ausmaß genetischer Diversität hinsichtlich Heterozygotie und der Fst Werte auf; außerdem zeigen sie keine Klonalität. Genetische Vielfalt wird über fakultative Apomixis beibehalten und ermöglicht die weite Verbreitung der Tetraploiden. Die tetraploiden Populationen profitieren von Vorteilen beider Reproduktions-Systeme (besser Kolonisierungsfähigkeit und genetische Vielfalt), und sind damit effizienter als die diploiden, ein großes Verbreitungsgebiet zu besiedeln.

Abstract

(Englisch)

This doctoral thesis aims at understanding geographical parthenogenesis, which means that sexual and asexual populations of the same species complex do not share the same distribution area. In general, asexuals occupy higher altitudes and latitudes and are more widespread. Geographical parthenogenesis combines different aspects that need to be considered for understanding the pattern: the reproduction system, poly-ploidisation events, genetic diversity, and colonization ability. The alpine species Ranunculus kuepferi is a model for studying geographical parthenogenesis, since polyploid, putative asexual populations are widespread throughout the Alps, while diploids sexual are confined to small refugial areas. I investigated different modes of reproduction and stability cytotypes via Flow Cytometry (FC) and Flow Cytometric Seed Screening (FCSS) in seeds. The origin of polyploidisation and genetic diversity of populations was analyzed with molecular methods, by using Amplified Fragment Length Polymorphism (AFLPs; dominant marker) and microsatellites (SSRs; codominant marker). These studies were conducted on 60 populations out of the whole distributional range of the species. All these markers helped to reveal the population genetic structure and the importance of modes of reproduction for the evolution of geographical parthenogenesis. The three chapters of the thesis treat the different aspects as follows: Cytotype stability for each ploidy level was assessed over the distribution area with FC, and the mode of reproduction was determined via FCSS. This analysis revealed that diploids remain stable and fully sexual. Triploids in the contact zone are a product of backcrossing between diploids and tetraploids. Outside the contact zone, 30% of the seed display triploid embryos in tetraploid populations, but triploid adult plants occur only once in the whole tetraploid area. The majority of tetraploids maintain a stable ploidy level via gametophytic apomixis with either pseudogamous or autonomous endosperm formation. However, a few percent of seeds of tetraploids are formed in the sexual way. Polyploidization events may give an explanation why apomixis originated in the species Ranunculus kuepferi. Evidence for an autopolyploid origin of the tetraploids was presented by Bayesian Analysis of Populations Structure (BAPS) analysis of SSRs, which showed that tetraploids originated from diploids without the contribution of another genome. Tetraploids obviously originated several time from diploids since they show almost no divergence and only few new alleles in SSRs are present in tetraploids. AFLPs show in a Neighbor Joining analysis that diploids and tetraploids share the same gene pool. Therefore, geographical success of apomicts does not result from genomic novelty, which could be predicted in allopolyploids. Apospory seems to help to overcome the problems occurring in unbalanced meiosis caused by multivalent formation, which can be assumed from genotypes exhibiting multiple allelism in SSR loci. This uncommon combination of autopolyploidy and apospory stabilizes the reproductive system and hence the ploidy level. Effects of breeding system and genetic diversity of populations were further studied by using AFLPs and SSRs. Tetraploids of Ranunculus kuepferi have a breakdown of the self-incompatibility system, allowing for pseudogamous selfing, whereas diploids remain self-incompatible. Therefore, apomicts can easily establish new populations, potentially with a single seed, and thus they have superior colonization ability. A BAPS analysis of AFLP data confirms populations-specific gene pools in apomicts which have probably resulted from multiple founder events. Diploids ought to have the advantage of higher genetic diversity via recombination, as our result show a genetic diversity typical for sexual outcrossers. However, tetraploids show the same level of diversity with respect to heterozygosity and Fst values, as well as they exhibit no clonality. Genetic diversity is maintained via facultative apomixis and allows maintenance of the widespread distribution pattern of tetraploids. Tetraploids profit from the best of both reproductive systems (better colonization ability and genetic diversity), and therefore they are more efficient than the diploids to spread over the major distribution area.

Autor*innen

Anne-Caroline Cosendai

Haupttitel (Englisch)

Geographical parthenogenesis

Hauptuntertitel (Englisch)

a case study on evolution, reproduction and genetic diversity of Ranunculus kuepferi

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

VIII, 157 S. : graph. Darst., Kt.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Timothy Sharbel ,

Hilde Nybom

Klassifikationen

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines ,

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges

AC Nummer

AC08283930

Utheses ID

10132

Studienkennzahl

UA | 091 | 438 | |

Detailansicht

Abstracts

Schlagwörter