P2009-05: Ursprung und Prozess der geografischen Artbildung bei Gentiana sect. Calathianae in Eurasien
Projektleiter:
Phylogeographische Methoden erlauben neue Erkenntnisse über Ursprung und Diversifizierung von Arten. Erst mit Hilfe molekularer Daten wird die Analyse des Modus der Artbildung und der historischen Biogeographie von Arten oder Artengruppen möglich.
Alpische Pflanzenarten sind besonders interessant, weil diese an kalte Bedingungen angepaßten Organismen meist recht jungen Ursprungs sind. Sie entstanden gegen Ende des Tertiärs oder erst im Pleistozän. Des weiteren wurde ihre Verbreitung während der Eiszeiten weniger verändert als jene wärmeliebender Arten.
Mittels der Analyse von DNA-Sequenzen von Chloroplasten-DNA (cpDNA), AFLP fingerprinting und Genomgrößenmessungen von Arten der Frühlingsenzian-Verwandtschaft (Gentiana sect. Calathianae, Gentianaceae, mit ca. 17 Arten und 22 beschriebenen Unterarten) in Kombination mit Methoden der Statistischen Phylogeographie, versuche ich den Ursprung, den Artbildungsprozess und den zeitlichen Ablauf der Diversifizierung zu erklären. Dabei ist die Analyse variabler cpDNA-Regionen von besonderer Wichtigkeit, um die statistischen phylogeographischen Analysen durchführen zu können. Überdies werden AFLP fingerprints eingesetzt, um phylogenetische und phylogeographische Hypothesen zu bilden.
Nachdem vorläufige DNA-Gehalt-Messungen interessante und unerwartete Variation bei nah verwandten und sympatrisch vorkommenden Arten ergeben haben, sollen alle Taxa in dieser Hinsicht untersucht werden. Dabei soll die Frage geklärt werden, ob Änderungen in der Genomgröße mit der Bildung von Artbarrieren in einem Zusammenhang stehen.
Die Hauptergebnisse der Studien sind besonders hinsichtlich eines besseren Verständnisses über die Artbildung im Alpinen Raum und über die Evolution von Artgrenzen, die erst das sympatrisches Vorkommen nächstverwandter Arten ermöglichen.
Projektstatus 01/2010
Das Projekt wurde wie geplant im Oktober 2009 gestartet und ist stark mit der Diplomarbeit von Judith Schistek (Salzburg) verknüpft. Im Vorfeld gesammelte Proben der kleinen, blauen Enziane (Gentiana sect. Calathianae) wurden zweifach analysiert:
(1) Genomgrößen, also die gesamte Menge an DNA pro Zelle, wurde von 161 Proben mittels Durchfluss-Zytometrie in Zusammenarbeit mit der Universität Prag (Flow Cytometry Lab, Institute of Botany) bestimmt und
(2) die mit der Sequenzierung von zwei Regionen der Chloroplasten-DNA (cpDNA-Regionen trnL(UAG)-rpl32 & trnL(UAA)-ndhJ; 147 Proben) wurde im November und Dezember 2009 begonnen und diese ist bereits weit fortgeschritten. Vorläufige Analysen der Genomgrößen zeigen eine sehr große Variation innerhalb der sect. Calathianae, die sich von C=1,3 pg in G. utriculosa bis zu C=3,66 pg in G. tergestina ssp. pontica erstreckt. Überdies sind Genomgrößen nur sehr schwach mit in der Literatur berichteten Chromosomenzahlen korreliert. Das bedeutet, daß eine Vergrößerung und Verkleinerung des Genoms unabhängig von Chromosomenmutationen geschehen ist. Interessanterweise zeigen in der Gentiana verna Gruppe die Genomgrößen ein geographisches Muster. Erste Ergebnisse wurden in der NOBIS (Network of Biological Systematics Austria) am 4. Dezember in Wien als Poster und Vortrag präsentiert.
Die folgenden Monate werden der Numerischen Analyse der Genomgrößenmessungen und der cpDNA-Daten und der molekular-phylogenetischen Analyse mit Hilfe von AFLP-Fingerprinting, einer Methode des genetischen Fingerabdrucks, gewidmet sein. Ziel ist es, einen Stammbaum, also eine Hypothese der Verwandtschaft der gesamten sect. Calathianae zu erstellen. Basierend auf diese drei Datenklassen,also Genomgrößen, cpDNA und genetische Fingerabdrücke, sollen die Hauptfragen des Projekts beantwortet werden. Im Sommer 2010 werden zusätzlich mehr Proben einiger kritischer Taxa gesammelt werden:
(1) G. schleicheri, subendemisch in den Westalpen, ist sehr variabel hinsichtlich der Chromosomenzahlen (2n=30, 42) und der Genomgröße, aber nur zwei Populationen konnten bis jetzt analysiert werden.
(2) Zusätzliche Proben von einigen Außengruppen-Taxa sollen ebenfalls, von Herbarmaterial oder im Freiland gesammelt werden. Die Diplomarbeit von Judith Schistek soll in der ersten Hälfte von 2010 abgeschlossen werden. Ein Projekttreffen mit unseren Prager Kooperationspartner ist im Frühjahr oder Sommer 2010 geplant. Die Ergebnisse sollen in einer internationalen Konferenz präsentiert werden und die Publikation der Studie in einer internationalen Zeitschrift soll eingeleitet werden.
Projektstatus 02/2011
Das Projekt wurde im Oktober 2009 gestartet und ist stark mit der Diplomarbeit von Judith Schistek (Salzburg) verknüpft. Eine abgeschlossene Bakkalaureatsarbeit von Johanna Wegener (Salzburg) war ebenfalls mit dem Projekt assoziiert. Im Vorfeld gesammelte Proben der kleinen, blauen Enziane (Gentiana sect. Calathianae) wurden mehrfach analysiert:
(1) Genomgrößen, also die gesamte Menge an DNA pro Zelle, wurde von 161 Proben mittels Durchfluss-Zytometrie in Zusammenarbeit mit der Universität Prag (Flow Cytometry Lab, Institute of Botany) bestimmt,
(2) die Sequenzierung und Analyse von zwei Regionen der Chloroplasten-DNA (cpDNA-Regionen trnL(UAG)-rpl32 & trnL(UAA)-ndhJ; 147 Proben) wurde abgeschlossen,
(3) eine nukleäre Genregion (ITS, Internal Transcribed Spacer) wurde von ausgewählten Proben der sect Calathianae, sowie der anderem Europäischen Sektionen (Gentiana, Ciminalis), sowie einiger Aussengruppen sequenziert und analysiert und
(4) bei der Analyse von ca. 230 Proben der sect. Calathianae mittels der Methode des AFLP fingerprinting wurde die Laborarbeit abgeschlossen.
Die Analysen der Genomgrößen zeigen eine sehr große Variation innerhalb der sect. Calathianae, die sich von C=1,3 pg in G. utriculosa bis zu C=3,66 pg in G. tergestina ssp. pontica erstreckt. Überdies sind Genomgrößen nur sehr schwach mit in der Literatur berichteten Chromosomenzahlen korreliert. Das bedeutet, daß eine Vergrößerung und Verkleinerung des Genoms unabhängig von Chromosomenmutationen geschehen ist. Die phylogenetische Analyse der Chloroplasten-Sequenzen zeigen vier klar getrennte Gruppen (clades), die Schweter-Verwandtschaft zwischen sect. Calathianae und sect. Ciminalis konnte mit der ITS-Phylogenie bestätigt werden. Teile der Studie sind in der Bakkalaureatsarbeit von Johanna Wegener enthalten, alle bisherigen Ergebnisse des Projekts wurden auf verschiedenen Tagungen präsentiert.
Statistical Parsimony network der 34 Haplotypen (H1-H34) der sect. Calathianae, subsect. Vernae (berechnet mit TCS 2.1). Die Gentiana verna – Gruppe ist gestreift eingefärbt dargestellt. Größe der Scheiben entspricht der Anzahl der identischen Sequenzen pro Haplotyp.
Projektstatus 02/2012
Das Projekt wurde im Oktober 2009 gestartet und ist stark mit der Diplomarbeit von Judith Schistek (Salzburg, derzeit in Karenz) verknüpft. Eine abgeschlossene Bakkalaureatsarbeit von Johanna Wegener (Salzburg) und jene von Mag. Karin Moosbrugger (Salzburg) war ebenfalls mit dem Projekt assoziiert. Im Vorfeld gesammelte Proben der kleinen, blauen Enziane (Gentiana sect. Calathianae) wurden mehrfach analysiert:
(1) Genomgrößen, also die gesamte Menge an DNA pro Zelle, wurde von 161 Proben mittels Durchfluss-Zytometrie in Zusammenarbeit mit der Universität Prag (Flow Cytometry Lab, Institute of Botany) bestimmt,
(2) die Sequenzierung und Analyse von zwei Regionen der Chloroplasten-DNA (cpDNA-Regionen trnL(UAG)-rpl32 & trnL(UAA)-ndhJ; 147 Proben) wurde abgeschlossen,
(3) eine nukleäre Genregion (ITS, Internal Transcribed Spacer) wurde von ausgewählten Proben der sect Calathianae, sowie der anderem Europäischen Sektionen (Gentiana, Ciminalis), sowie einiger Aussengruppen sequenziert und analysiert und
(4) bei der Analyse von ca. 230 Proben der sect. Calathianae mittels der Methode des AFLP fingerprinting wurde die Datenanalyse weitgehend abgeschlossen. Die Analysen der Genomgrößen zeigen eine sehr große Variation innerhalb der sect. Calathianae, die sich von C=1,3 pg in G. utriculosa bis zu C=3,66 pg in G. tergestina ssp. pontica erstreckt. Überdies sind Genomgrößen nur sehr schwach mit in der Literatur berichteten Chromosomenzahlen korreliert. Das bedeutet, daß eine Vergrößerung und Verkleinerung des Genoms unabhängig von Chromosomenmutationen geschehen ist.
Die phylogenetische Analyse der Chloroplasten-Sequenzen zeigen vier klar getrennte Gruppen (clades), die Schwester-Verwandtschaft zwischen sect. Calathianae und sect. Ciminalis konnte mit der ITS-Phylogenie bestätigt werden. Die Phylogenie basierend auf AFLP-Daten zeigen ein ähnliches Muster wie die Chloroplasten-DNA-Daten, allerdings auch einige überraschende Abweichungen (siehe Abbildungen und Abbildungstexte).
NeighborNet-Analyse; Darstellung der genetischen Beziehungen innerhalb von Gentiana sect. Calathianae (Berechnung in Splitstree 4.0; 50 Populationen, 526 AFLP-Marker; Dice-coefficient, B - Subsection Calathianae).
Genetische Beziehungen basierend auf einem Neighbor-joining Dendrogram auf Populationsebene (50 Populationen, 526 AFLP Marker, Berechnungen in Treecon auf Basis genetischer Distanzen nach Nei&Li, 1000 Bootstrap Replikate).
Das Bayesian Admixture Clustering berechnet mit BAPS 5.0 ergab eine Gruppierung in K=18 als die wahrscheinlichste.
PCoA basierend auf Dice-Koeffizienten zwischen 241 Individuen (50 Populationen) aus Gentiana sect. Calathianae. Die 18 Gruppen, die durch Bayesianische Analysen abgegrenzt werden konnten (siehe Abb. oben), sind farblich unterschieden.
Einer von 314 best trees der Maximum Parsimony Analyse. Zahlen oberhalb der Äste sind statistische Bootstraps (in %, > 50). Punktlinien kolabieren im Strict Consensus von 261817 Bäumen (heuristic search, treelength=314, CI=0,866, RI=0,917). Die mittlere Genomgröße (1Cx-Wert) und die Standardabweichung (SD) ist für jedes clade angegeben.
Preliminäre Phylogenie von Gentiana mit Schwerpunktsetzung auf die Europäischen Sektionen basierend auf Informationen des nukleären Internal Transcribed Spacers (ITS 1 & 2). 50% Majority rule tree errechnet mit MrBayes, posterior probabilities sind über den Ästen angegeben.
Publikationen
Wegener, Johanna (2010) Molecular phylogeny of the genus Gentiana with focus on the European sections Gentiana, Ciminalis and Calathianae. Bakkalaureatsarbeit, Paris-Lodron-University of Salzburg, Salzburg.
Moosbrugger, Karin (2011) Phylogeography of the Gentiana verna group (Gentianaceae) inferred from AFLP markers. Master Thesis, Paris-Lodron-University of Salzburg, Salzburg.
Tribsch, A.; Moosbrugger, K.; Schistek, J.; Wegener, H; Affenzeller, M. et al. [..] (2011) Genome evolution, phylogeography and speciation patterns of the small, blue-flowered European Gentians (Gentiana sect. Calathianae, Gentianaceae). In: Botanic Garden and Botanical Museum Berlin-Dahlem, Freie Universität Berlin (eds.), BioSystematics Berlin 2011 - Programme and Abstracts (BioSystematics Berlin 2011); Berlin, pp 364-365.
Poster/Vorträge
Moosbrugger, Karin (December 4, 2009) The geographical origin of peripheral populations in the Gentiana verna group (Gentianaceae) evidenced by phylogeographical analyses using AFLP fingerprinting. Poster Presentation: NOBIS 3 - 3. Jahrestagung von NOBIS Austria 2009, Wien/AUSTRIA .
Schistek, J. (December 4, 2009) Geographical variation in chloroplast sequences and genome size in Gentiana sect. Calathianae. Poster Presentation: NOBIS 3 - 3. Jahrestagung von NOBIS Austria 2009, Wien/AUSTRIA .
Gamisch, A.; Comes, H.P.; Tribsch, A. (21.10.2010) So entstehen neue Pflanzenarten. Posterpräsentation: land der vielfalt – zukunftsreich? Biodiversitätsforschung in und aus Österreich., Vienna/AUSTRIA.
MOOSBRUGGER, K.; H.P., COMES; TRIBSCH, A. (24.09.2010) Phylogeographie der Gentiana verna Gruppe basierend auf AFLP fingerprinting: Geografische Hauptmuster und die Herkunft isolierter Populationen. Vortrag: 14. Österreichisches Botanikertreffen, Dornbirn/AUSTRIA.
SCHISTEK, J.; MOOSBRUGGER, K.; SUDA, J.; COMES, H.P.; TRIBSCH, A. (18.09.2010) Statistical phylogeography in Gentiana sect. Calathianae Froel. with special reference to the Gentiana verna group and genome size variation. Posterpräsentation: 19th International Symposium “Biodiversity and Evolutionary Biology” (German Botanical Society (DBG)), Vienna/AUSTRIA.
SCHISTEK, J.; MOOSBRUGGER, K.; SUDA, J.; COMES, H.P.; TRIBSCH, A. (24.09.2010) Statistical phylogeography in Gentiana sect. Calathianae Froel. with special reference to the Gentiana verna group and genome size variation. Posterpräsentation: 14. Österreichisches Botanikertreffen, Dornbirn/AUSTRIA.
TRIBSCH, A.; MOOSBRUGGER, K.; SCHISTEK, J.; WEGENER, H.; AFFENZELLER, M. et al. [..] (18.09.2010) Speciation patterns of European Gentians (Gentiana L., Gentianaceae). Vortrag: 19th International Symposium “Biodiversity and Evolutionary Biology” (German Botanical Society (DBG)), Vienna/AUSTRIA.
TRIBSCH, A.; MOOSBRUGGER, K.; SCHISTEK, J.; WEGENER, H.; AFFENZELLER, M. et al. [..] (24.09.2010) Jaja so blau blau blau blüht der Enzian: Phylogenetische und phylogeographische Studien zur Sippendifferenzierung der Europäischen Vertreter von Gentiana L. (Gentianaceae). Vortrag: 14. Österreichisches Botanikertreffen, Dornbirn/AUSTRIA.
Tribsch, Andreas (16.10.2010) Biogeographie des arktisch-alpinen Elements: Wann, woher, wohin?. Vortrag: Neue Methoden und Ergebnisse in der Biogeographie (Österreichische Entomologische Gesellschaft), Salzburg/AUSTRIA.
Tribsch, Andreas (February 24, 2011) Genome evolution, phylogeography and speciation patterns of the small, blue-flowered European Gentians (Gentiana sect. Calathianae, Gentianaceae). Lecture at: BioSystematics Berlin 2011 (Botanic Garden and Botanical Museum Berlin-Dahlem and Museum für Naturkunde Berlin), Berlin/GERMANY.
