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Phylogenetic community structure assessment of a mixed Dipterocarp forest using DNA barcoding and molecular phylogeny of the dominant tree family Dipterocarpaceae

Jacqueline Heckenhauer

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)

Betreuer*in

Mary Rosabelle Samuel

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-13161.48527.282770-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Für das Barcoding von Pflanzen werden standardmäßig zwei Marker verwendet: Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (rbcL) und Maturase K (matK). Im Gegensatz zu der weitestgehend konservierten rbcL-Barcoding-Region ist die matK-Barcoding-Region sehr variable (ca. dreimal so variable wie rbcL), was mit Schwierigkeiten der Auswahl der Primer, welche für die Vervielfältigung der DNS während der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) benötigt werden, einhergeht. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein weites Spektrum an verschiedenen Pflanzenfamilien untersucht wird. Frühere Studien verwendeten jeweils unterschiedliche Primerkombinationen für verschiedene Familien. Dieses Verfahren ist jedoch zeitaufwendig und teuer. In der ersten Studie dieser Arbeit, wurden 14 universelle matK-Primer, unter Verwendung von kompletten matK-Sequenzen aus GenBank, entwickelt. Mittels Kombination dieser Primer in einer Multiplex-PCR konnte die matK-Barcoding-Region aller Angiospermen erfolgreich amplifiziert werden. Die matK-Barcoding-Region wurde, zusammen mit der rbcL-Barcoding-Region, in einer zweiten Studie verwendet, um Bäume und Sträucher (3237 Individuen) in mehreren Quadraten eines 25 ha Dipterocarpaceaen-Mischwaldes in Brunei Darussalam (Borneo, Südostasien) meist auf Gattungsebene zu identifizieren und die phylogenetische Gemeinschaftsstruktur dieses Waldes zu beurteilen. Die kombinierte Matrix aus rbcL- und matK-Barcoding-Regionen [555 Haplotypen, die zu ≥154 Gattungen, 68 Familien, 25 Ordnungen nach der Angiosperm Phylogeny Group (APG) gehören], wurde verwendet, um phylogenetische Verwandtschaftsbeziehungen zu erstellen [mit und ohne Verwendung eines APG-Baums auf Ordnungsebene (APGIII)]. Ein dritter phylogenetischer Baum wurde unter Verwendung des Programms Phylomatic rekonstruiert. Dieses Programm wird traditionell von vielen Ökologen verwendet und reduziert einen existierenden Referenzbaum so, dass nur Taxa, welche in der betreffenden Pflanzengesellschaft vorkommen, enthalten sind. Die verschiedenen phylogenetischen Bäume wurden verwendet um Gesellschaftsindizes [Net Relatedness Index (NRI) and Nearest Taxon Index (NTI)] zu berechnen. Die Gesellschaftsindizes deckten jeweils die gleichen Formen der Gesellschaftsstruktur auf: in den meisten Fällen zufällige Verteilung oder phylogenetische Gruppierung. Phylogenetische Gruppierung weist auf den möglichen Einfluss abiotischer Faktoren auf die Gesellschaftsstruktur des Waldes hin. Allerdings wiesen die Gesellschaftsindizes unter Verwendung des Phylomatic-Baumes eine deutlich höhere Variation auf, welche sich mit statistischem Rauschen, einhergehend mit der niedrigen Auflösung dieses phylogenetischen Baumes, erklären lässt. Weiterhin beschäftigt sich diese Arbeit mit der molekularen Phylogenie der ökologisch und ökonomisch wichtigen Familie der Flügelfluchtgewächse (Dipterocarpaceae, Malvales), welche die dominierenden Bäume im untersuchten Wald darstellen. Die Familie der Flügelfruchtgewächse wird in drei Unterfamilien gegliedert: Dipterocarpoideae, die größte, vorwiegend in Asien vorkommende Unterfamilie, Monotoideae in Afrika, Madagaskar und dem kolumbianischen Amazonas und Pakaraimaeoideae aus den Hochländern Guayanas und Venezuela. Datierungsanalysen, basierend auf DNA-Sequenzdaten zeigen, dass die Dipterocarpoideae ca. 55 Millionen Jahre alt sind. Phylogenetische Analyse verschiedener Plastidenregionen aller drei Unterfamilien, sowie Vertreter der nah verwandten Familien Sarcolaenaceae, Cistaceae und Bixaceae zeigt verwandtschaftliche Unterschiede zu jenen in bisherigen morphologischen Klassifikationen vorgeschlagenen. Pakaraimaea (Unterfamilie Pakaraimaeoideae) bildet eine Gruppe mit Cistaceaea. Monotoideae bildet eine schwach unterstützte Schwestergruppe zu Dipterocarpoideae. In Bezug auf die Unterfamilie Dipterocarpoideae, ist Dipterocarpus Schwestergruppe zu Dryobalanops und Shoreeae, was dem morphologischen Konzepte der beiden Tribus Dipterocarpeae (Anisoptera, Cotylelobium, Dipterocarpus, Stemonoporus, Vatica, Vateria und Vateriopsis) und Shoreeae (Hopea, Parashorea, Neobalanocarpus und Shorea) im Sinne von Ashton widerspricht. Weiterhin ist die Gattung Shorea (sensu Ashton) nicht monophyletisch. Die untersuchten Genomgrößen sind klein (0,3264-0,6724 pg). Neue Chromosomenzahlen wurden ermittelt (Dipterocarpus zeylanicus Thwaites: 2n = 22; Shorea megistophylla P.S.Ashton: 2n = 14; Hopea jucunda Thwaites: 2n = 21; Shorea oblongifolia Thwaites: 2n = 14; and Vatica endertii Slooten: 2n = 22). Diese entsprechen früheren Aufzeichnungen in der Familie Dipterocarpaceae. RAD-Sequenzierung (Restriction Site Associated DNA Sequencing, eine Next-Generation-Sequenziermethode) wurde erfolgreich verwendet, um phylogenetische Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Shoreeae aufzulösen. Analysen von Tausenden von RAD-abgeleiteten SNPs (Single Nucleotid Polymorphisms) führen zu kongruenten, aber viel besser aufgelösten Bäumen im Vergleich zu jenen, die aus Sanger-Sequenzierung von Plastidenregionen resultieren. Bei der polyphyletischen Gattung Shorea wird auch die Monophylie einiger (Unter-)Sektionen nach Ashton nicht gestützt, während Gruppierungen nach Maury unterstützt werden. Dies trifft ebenfalls für einige (Unter-)Sektionen der monophyletischen Gattung Hopea zu. Einblicke in die Evolution von Blütenmerkmalen stützen die auf Bestäubungsbiologie und Biogeographie basierende Hypothese, dass Blüten mit großen, länglichen Antheren und mehr als 15 Staubblätternmit kurzen Anhängen einen plesiomorphen Merkmalszustand in der Unterfamilie Dipterocarpoideae darzustellen scheinen.

Abstract

(Englisch)

For DNA barcoding, the two markers ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (rbcL) and maturase K (matK) are widely used in plants. In contrast to the well conserved rbcL barcode region, the matk is rapidly evolving and therefore highly variable, approx. three times more variable than that of rbcL. PCR amplification of matK is often difficult especially when dealing with many different plant families. Earlier DNA barcoding studies have used different primer pair combinations for different plant families which is time consuming and costly. In this project, 14 universal matk primers were developed using complete matk sequences available from GenBank. These primers, when combined in a multiplex PCR, amplify the target region across a wide range of Angiosperms families. In this study, the matK, together with the rbcL barcode region, successfully identified trees and shrubs (3237 individuals) mostly at generic level, which helped to assess the phylogenetic community structure in several subplots of a 25 ha mixed Dipterocarp forest in Brunei Darussalam (Borneo, Southeast Asia). The combined matrix of rbcL + matK barcodes [555 haplotypes which belong to ≥154 genera, 68 families, 25 orders sensu Angiosperm Phylogeny Group (APG)] was used to reconstruct phylogenetic relationships, with and without constraining the topology of taxonomic orders to match that proposed by the Angiosperm Phylogeny Group (APG III). A third phylogenetic tree was reconstructed using the program Phylomatic which trims a reference tree to taxa occurring in the community. This program is traditionally used by many ecologists. The different phylogenetic trees obtained were used to calculate community metrics [net relatedness index (NRI) and nearest taxon index (NTI)]. The community indices detected the same patterns of community structure: in most cases it was either random community assembly or phylogenetically clustering, irrespective of the different phylogenetic trees used for calculations. Phylogenetic clustering indicates that habitat filtering plays a role in assembly processes. However, the Phylomatic tree produces greater variation across the plots for NRI and NTI, presumably due to noise introduced by using an unresolved phylogenetic tree. Dipterocarpaceae (Malvales) are the dominant trees in the study plot, which led to investigation of the molecular phylogeny of the whole family including all subfamilies. Dipterocarpaceae comprises three subfamilies: the largest Asian subfamily Dipterocarpoideae, Monotoideae from Africa, Madagascar and the Colombian Amazon, and Pakaraimaeoideae from Guaianan Highlands and Venezuela. Molecular clock analysis reveals that extant Dipterocarpoideae diverged approx. 55 Mya. Phylogenetic analysis of plastid regions including all three subfamilies as well as representatives of closely related families Sarcolaenaceae, Cistaceae, and Bixaceae, highlights differences from the previous morphological classifications. Pakaraimaea of the monotypic subfamily Pakaraimaeoideae is assigned to Cistaceae. Monotoideae is weakly supported as sister to Dipterocarpoideae. In the subfamily Dipterocarpoideae, Dipterocarpus is sister to Dryobalanops and tribe Shoreeae which contradicts the morphological concepts of the tribes Dipterocarpeae (Anisoptera, Cotylelobium, Dipterocarpus, Stemonoporus, Vatica, Vateria, and Vateriopsis) and Shoreeae (Hopea, Parashorea, Neobalanocarpus und Shorea) sensu Ashton. Further, the genus Shorea (sensu Ashton) is not monophyletic. Genome sizes of the species examined are small (0.3264–0.6724 pg). New chromosome numbers are reported (Dipterocarpus zeylanicus Thwaites: 2n = 22; Shorea megistophylla P.S.Ashton: 2n = 14; Hopea jucunda Thwaites: 2n = 21; Shorea oblongifolia Thwaites: 2n = 14; and Vatica endertii Slooten: 2n = 22). These correspond to earlier records in the family Dipterocarpaceae. RADseq (restriction site associated DNA sequencing; next generation sequencing) was successfully used to infer species relationships within the tribe Shoreeae. Analyses of thousands of RAD derived SNPs lead to congruent and much better resolved trees compared to those obtained by sanger sequencing of plastid regions. Regarding the polyphyletic genus Shorea, taxonomic grouping based on wood anatomy is supported by RADseq, but it contradicts some (sub-)sectional relationships proposed by Ashton. This was also the case for some (sub-)sections of the genus Hopea. Insights into the evolution of floral traits support the hypothesis that flowers with large, oblong anthers with short appendages and more than 15 stamens are plesiomorphic characters in the subfamily Dipterocarpoideae, as hypothesised previously based on pollination biology and biogeography.

Autor*innen

Jacqueline Heckenhauer

Haupttitel (Englisch)

Phylogenetic community structure assessment of a mixed Dipterocarp forest using DNA barcoding and molecular phylogeny of the dominant tree family Dipterocarpaceae

Paralleltitel (Englisch)

Ermittlung der phylogenetischen Gesellschaftsstruktur eines Dipterocarpaceaen-Mischwaldes mittels DNA Barcoding und molekulare Phylogenie der dominanten Baum-Familie Dipterocarpaceae

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

192 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Kenneth Cameron ,

Alexandra Müllner-Riehl

Klassifikationen

42 Biologie > 42.03 Methoden und Techniken der Biologie ,

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.21 Evolution ,

42 Biologie > 42.38 Botanik: Allgemeines ,

42 Biologie > 42.40 Pflanzencytologie, , Pflanzenhistologie, Pflanzenmorphologie ,

42 Biologie > 42.44 Pflanzengeographie, Pflanzenökologie, Pflanzensoziologie ,

42 Biologie > 42.47 Spezielle Botanik: Allgemeines ,

42 Biologie > 42.56 Angiospermae ,

42 Biologie > 42.58 Dicotyledoneae

AC Nummer

AC14505181

Utheses ID

44393

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 437 |

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