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Morpho-anatomical analysis of domatia structures in ant-associated Melastomataceae with respect to nutrient uptake by the host plant from antderived waste
Stefanie Christine Pfattner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Ecology and Ecosystems
Betreuer*in
Jürg Schönenberger
Mitbetreuer*in
Veronika Mayer
DOI
10.25365/thesis.79022
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17534.50443.693617-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Mutualistische Beziehungen zwischen Ameisen und Pflanzen sind ein omnipräsentes Phänomen in tropischen Ökosystemen und können sowohl fakultativ als auch obligat sein. Bei letzterem bieten Ameisen Schutz vor Herbivoren und stellen Nährstoffe durch ihre Ausscheidungen zur Verfügung. Im Gegenzug erhalten die Ameisen einen Unterschlupf und Nahrung von den Pflanzen. Pflanzen die mit Ameisen in biotischer Interaktion stehen werden als Myrmecophyten bezeichnet. Myrmecophyten bieten Unterkünfte in Form von Hohlräumen, auch Domatien genannt, die sich in Rhizomen, Stängeln, Nebenblättern, Blattstielen oder Blatttaschen befinden können. In dieser Arbeit werden die Domatien von drei myrmecophytischen Arten aus der Familie der Melastomataceae, Miconia crenulata (Stammdomatien) und den beiden Blattdomatien tragenden Arten Miconia tococa und Miconia sp., im Hinblick auf folgende Forschungsfragen untersucht: (1) Tragen größere Blätter auch größere Domatien (in Bezug auf das Volumen)? (2) Variiert die Größe der Ameisenkolonie je nach Lage (Stamm oder Blatt) und Größe des Domatiums? (3) Gibt es eine dominante Ameisenart pro Pflanzentaxon? (4) Verteidigen die bewohnenden Ameisen ihre Wirtspflanze gegen Herbivorer? (5) Weisen die Domatien morphologische Filter auf, die die Besiedlung durch Ameisenarten über einer bestimmten Größe einschränken und potenzielle Räuber ausschließen? (6) Wird die Brut in der größeren und der Abfall in der kleineren der beiden paarigen Domatienkammern gelagert? (7) Unterscheidet sich die Anatomie der Domatien, je nachdem, ob sie sich auf dem Blatt oder dem Stängel befinden? (8a) Dienen die Trichome in den Innenwänden des Domatiums der Nährstoffaufnahme? (8b) Ist die Effizienz der Nährstoffaufnahme abhängig von der Position des Domatiums und den an seiner Bildung beteiligten Geweben? (8c) Weisen Domatien eine andere Nährstoffkonzentration auf als die umliegenden Gewebe? (8d) Beeinflusst die Nutzung der Domatienkammern (Brut oder Abfall) die Nährstoffaufnahme? Um diese Fragestellungen zu untersuchen, wurde eine breite Palette morphometrischer und mikromorphologischer Methoden wie Mikrotomie, Rasterelektronenmikroskopie und 3D-Bildgebung durch hochauflösende Tomographie der Domatienstrukturen sowie Markierungsexperimente mit stabilen Isotopen (15N Glycin und 15NH4Cl) zur Bestimmung der Resorptionseigenschaften, angewendet. Zur taxonomischen Identifizierung der Ameisen wurde DNA-Barcoding eingesetzt. Die Analyse der Koloniestruktur ergab, dass M. crenulata im Vergleich zu M. tococa deutlich mehr Ameisen pro 1 mm3 Domatium-Volumen beherbergt, obwohl die Domatien von M. crenulata nur 1,43-mal größer sind, was das Volumen betrifft. Das größere Vorkommen von M. crenulata im Untersuchungsgebiet deutet auf eine längere Etablierungszeit hin und fördert dadurch größere und/oder mehr Ameisenkolonien, da viele Wirtspflanzen vorhanden sind. Während M. tococa eine Vielzahl von Ameisenarten beherbergt, wurde M. crenulata von einer kleineren Anzahl von Ameisenarten besiedelt. Die wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass die Domatien der drei untersuchten Arten in zwei Gruppen eingeteilt werden können: Blattdomatien, die aus zwei verschiedenen Geweben bestehen und Stammdomatien, die ausschließlich aus stammartigem Gewebe bestehen. Die Domatien von M. tococa und Miconia sp., die sich auf der Lamina befinden, bestehen aus zwei verschiedenen Geweben, stammartigem Gewebe auf der abaxialen (unteren) Seite und laminaartigem Gewebe auf der adaxialen (oberen) Seite, wobei letzteres aufgrund größerer Interzellularräume und weniger verholzter Zellen weniger kostspielig für die Pflanze ist. Die Beteiligung verschiedener Gewebe an der Bildung dieser beiden Domatentypen wirkt sich auch auf ihre Nährstofftransportfähigkeit aus. Blattdomatien transportieren Nährstoffe effektiver in das umgebende Laminagewebe als Stammdomatien. Des weiteren, variierte die Trichomdichte zwischen den Arten, wobei M. crenulata die höchste Dichte aufwies, die größte Nährstoffaufnahmekapazität jedoch bei M. tococa beobachtet wurde. Dies deutet darauf hin, dass die Trichome nicht für die Nährstoffaufnahme verantwortlich sind. Die Studie verdeutlicht das komplexe Zusammenspiel zwischen Domatium-Merkmalen, Ameisenbesiedlung und Nährstoffaufnahme bei den drei untersuchten Melastomataceaen Arten.
Abstract
(Englisch)
Mutualistic relationships between ants and plants are a ubiquitous phenomenon in tropical ecosystems and may be facultative or obligate. In the latter category, ants provide protection from herbivores and nutrients derived from their faeces in return for shelter and food provided by the plants (myrmecophytes). The myrmecophytes provide shelter in the form of hollow cavities, also known as domatia, which can be located within rhizomes, stems, stipules, petioles, or leaf pouches. This thesis examines the domatia of three myrmecophytic species from the family Melastomataceae, Miconia crenulata (stem domatia) and the two leaf domatia-bearing species, Miconia tococa and Miconia sp., with respect to the following research questions: (1) Are larger leaves bearing larger domatia (in terms of volume)? (2) Is the ant colony size varying according to the location (stem or leave) and size of the domatium? (3) Is there a dominant ant species per plant taxon? (4) Are the inhabiting ants defending their host plant against herbivores? (5) Do the domatia exhibit morphological filters that restrict the colonization of ant species above a certain size and exclude potential predators? (6) Is brood stored in the larger of the two paired domatium chambers and waste in the smaller one? (7) Is the anatomy of the domatia different depending on whether they are located on the leaf or the stem? (8a) Do the trichomes in the inner domatium walls serve in nutrient absorption? (8b) Is the efficiency of nutrient uptake dependent on the domatium's position and the tissues involved in its formation? (8c) Do domatia have a different concentration of nutrients than the surrounding tissues? (8d) Is the usage of the domatium chambers (brood or waste) influencing the nutrient uptake? I used a wide range of morphometric and micro-morphological methods, such as microtomy, scanning electron microscopy, and 3D-imaging through high-resolution tomography of domatia structures and labelling experiments with stable isotopes (15N Glycine and 15NH4Cl) for resorptive properties. DNA barcoding was used for the taxonomic identification of the ants. Colony structure analysis revealed that M. crenulata houses significantly more ants per 1mm3 domatium volume compared to M. tococa, even though M. crenulata’s domatia are only 1.43 times larger in terms of volume. M. crenulata's higher density in the study area suggests a longer establishment period, supporting larger and/or more ant colonies since many host plants are present. While M. tococa hosts a diverse range of ant species, M. crenulata was inhabited by a narrower set of ant species. The main finding of this thesis is that the domatia of the three melastome species can be classified in two groups: leaf domatia that consist of two distinct tissues and stem domatia which are entirely comprised of stem-like tissues. The domatia of M. tococa and Miconia sp., which are positioned on the leaf lamina consist of two distinct tissues, stem-like tissue on the abaxial (lower) side and lamina-like tissue on the adaxial (upper) side with the latter being less costly for the plant due to more intercellular spaces and less lignified cells. The involvement of different tissues in the formation of those two domatium types affects their nutrient transport capabilities. Leaf domatia are more effective in transporting nutrients into the surrounding lamina tissues compared to stem domatia. Trichome density varied among species, with M. crenulata having the highest density but the largest nutrient uptake capacity was observed in M. tococa. This indicates that the trichomes are not mediating nutrient uptake. The study highlights the complex interplay between domatium characteristics, ant colonization, and nutrient uptake in the three Melastomataceae species investigated.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Myrmekophyten Melastomataceae Ameisen-Pflanzen Interaktionen Mutualismus Miconia Nährstoffaufnahme
Schlagwörter
(Englisch)
myremecophyt Melastomataceae ant-plant interaction mutualism Miconia nutrient uptake
Autor*innen
Stefanie Christine Pfattner
Haupttitel (Englisch)
Morpho-anatomical analysis of domatia structures in ant-associated Melastomataceae with respect to nutrient uptake by the host plant from antderived waste
Paralleltitel (Deutsch)
Morpho-anatomische Analyse von Domatien in myrmekophytischen Melastomataceae mit besonderem Fokus auf die Nährstoffaufnahme der Pflanze aus Ameisenabfällen
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
124 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Jürg Schönenberger
AC Nummer
AC17610403
Utheses ID
76938
Studienkennzahl
UA | 066 | 833 | |