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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-22375

Entwicklung einer Strategie für die Neuetablierung von Populationen der hochgradig gefährdeten mitteleuropäischen Diphasiastrum-Arten basierend auf Untersuchungen ihrer Reproduktionsbiologie und der besiedelten Standorte

  • Die mitteleuropäischen Flachbärlappe (Gattung Diphasiastrum) sind in Deutschland alle hochgradig gefährdet und können ohne geeignete Artenhilfsmaßnahmen hier nicht dauerhaft überleben. In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen für ein Artenhilfsprogramm geschaffen, indem die Reproduktionsbiologie untersucht worden ist und die ökologischen Ansprüche und Gefährdungsursachen ermittelt wurden, um entsprechende Hilfsmaßnahmen für die Arten zu entwickeln. Um Rückschlüsse auf das Reproduktionssystem der Eltern- und Hybridarten zu erhalten, wurde die genetische Diversität ermittelt. Dabei kam das fingerprinting-Verfahren AFLP zum Einsatz, womit Arten und genetisch verschiedene Individuen voneinander abgegrenzt werden können. Verwendet wurden die beiden Primer-Kombinationen EcoRI-AAG / VspI-CT und EcoRI-ACT / VspI-CAG. Die größte genetische Diversität der Elternarten weist D. complanatum auf, die überwiegend durch echte Fremdbefruchtung (outcrossing) entsteht, während die genetische Diversität der beiden anderen Elternarten D. alpinum und D. tristachyum gering ist und nur knapp oberhalb einer definierten Fehlerrate liegt. Die Proben der Hybridarten unterscheiden sich so stark voneinander, dass davon ausgegangen werden muss, dass dies immer wieder neu entstehende F1-Hybriden sind, wenngleich die Unterschiede bei D. oellgaardii vergleichsweise gering aufgrund der geringen genetischen Diversität der Elternarten D. alpinum und D. tristachyum ist. Die Sporenproduktion in den Sporenständen wurde unter anderem direkt durch Zählung von Sporen in den Sporangien unterm Stereomikroskop und Zählung der Sporangien in den Sporenständen ermittelt. Sporangien von L. clavatum enthalten demnach 27735 (± 7492) Sporen pro Sporangium, 105,2 (± 3,7) Sporangien pro Sporenstand und hochgerechnet etwa 2,1 bis 3,8 Millionen Sporen pro Sporenstand. Die terminale Fallgeschwindigkeit liegt für L. clavatum bei 2,16 (± 0,11) cm*s-1 und für D. complanatum bei 2,25 (± 0,10) cm*s-1. Die Sporen haben einen Durchmesser von 29,5 (± 2,0) μm bzw. 32,3 (± 2,5) μm. Die gemessene Geschwindigkeit liegt deutlich unter der theoretischen und lässt sich damit erklären, da Sporen keine perfekten Kugeln sind und aufgrund ihrer stark reliefierten Oberfläche Turbulenzen erzeugt werden, die den Fall verlangsamen. Die Anzahl der in Entfernungen bis 200 m zu einer sporenbildenden Population fliegenden Sporen wurde mithilfe von vertikalen klebenden Sporenfallen bei D. complanatum, D. tristachyum und L. clavatum bestimmt. Nur für die Population von L. clavatum mit 11358 reifen Sporenständen auf kleiner Fläche wurden weitere Berechnungen durchgeführt. Folgende Funktion beschreibt die Anzahl der durch die Luft fliegenden Sporen in einer Höhe von etwa 40 cm über dem Boden in Abhängigkeit zur Entfernung x: f(x) = 45878*x-2,302 (R² = 0,9979). Es konnten selbst in 200 m Entfernung noch einzelne Sporen an den Sporenfallen nachgewiesen werden. Da die maximale theoretische Ausbreitungsdistanz bei nur knapp 130 m liegt, selbst wenn ein konstant horizontal wehender Wind von 100 km/h angenommen wird, müssen aufwärtsgerichtete Luftströmungen eine entscheidende Rolle bei der Fernausbreitung spielen. Die Ansiedlungsversuche wurden im Thüringer Schiefergebirge am Grünen Band bei Brennersgrün (D. alpinum und D. tristachyum) und im Pöllwitzer Wald (D. complanatum) durchgeführt. Als Vergleichsart wurde wieder L. clavatum verwendet. Die Sprossverpflanzungen verliefen insgesamt erfolgreich mit einer Überlebensrate von 8% für D. alpinum, 17% für D. complanatum, 8% für D. tristachyum und 22% für L. clavatum. Der jährliche Rhizomzuwachs liegt bei 0,5 cm, 13,3 (± 1,8) cm, 7,5 cm bzw. 9,1 (± 4,0) cm für die entsprechenden Arten. Die Vegetationsbedeckung vorher abgeplaggter Flächen liegt zwischen 39 und 53% nach zwei Jahren, jedoch mit großen Unterschieden selbst zwischen benachbarten Flächen und wird hauptsächlich durch ein schnelles Mooswachstum bestimmt. Nach etwa fünf Monaten sind keine Sporen auf sterilem Nährstoffmedium gekeimt, obwohl diese unterschiedlich behandelt wurden, zum Beispiel mit Rauchgas, Hitze, konzentrierter Schwefelsäure oder durch Mörsern. Auch die Keimungsversuche an den Wuchsorten waren nach 2,5 Jahren erfolglos. Eine Erklärung kann ein Dormanzstadium unbekannter Dauer vor der Keimung sein. Der Anzahl der jährlich gebildeten vertikalen Sprossbüschel wurde indirekt für je eine Population für D. zeilleri (2,5/Jahr) und D. issleri (2,0/Jahr) bestimmt, indem der Quotient aus der Anzahl der Sprossbüschel an der längsten Rhizomverbindung und dem bekannten Alter des Standorts ermittelt worden ist. Die Zugehörigkeit von Rhizomstücken zu einem Klon wurde mit der AFLP-Methode abgesichert. Die meisten Populationen in Deutschland werden demnach mehrere Jahrzehnte alt, jedoch ohne beobachtete Verjüngung über Prothallien. Eine Erklärung könnten die immer noch sehr geringen pH-Werte in den Unterböden von 3,6 (± 0,24) sein, die giftige Al3+-Ionen pflanzenverfügbar machen.
  • All six Central European Clubmoss species (Diphasiastrum spp.) are critically endangered in Germany. Reproduction biology, site conditions and threats were investigated to develop species protection measurements. The genetic diversity of the parent species (D. alpinum, D. complanatum, D. tristachyum) and their hybrid species (D. issleri, D. zeilleri, D. oellgaardii) in Germany was investigated using AFLP. D. complanatum is genetically much more diverse than D. alpinum and D. tristachyum which suggests outcrossing while the latter have differences in their DNA fragments only just above the error rate which suggests intragametophytic selfing. All samples of the three hybrid species differ greatly from each other which suggests that they are all de-novo hybrids. Spore production was investigated in the widespread and ecological similar species Lycopodium clavatum with spores similar in size and shape by counting. Strobili contain 105.2 (± 3.7) sporangia and sporangia contain 27735 (± 7492) spores which corresponds to 2.1 to 3.8 million spores per strobilus. Settling velocity measured in a cylinder (falling distance: 24.5 cm) is 2.16 (± 0,11) cm*s-1 for L. clavatum and 2.25 (± 0,10) cm*s-1 for D. complanatum (spore diameter of 29.5 ± 2.0 μm and 32.3 ± 2.5 μm respectively). Measured settling velocity is lower than expected based on Stoke’s law because spores have a structured surface which causes turbulences and slow down spore fall. Spore dispersal was investigated using vertical spore traps placed around spore producing populations of Diphasiastrum and L. clavatum until 200 m. Calculations only carry out with one large population (11358 strobili) of L. clavatum where a few spores were found until this distance. Because of a theoretical dispersal distance of only 130 m assuming constant horizontal wind of 100 km*h-1 updraft must be important for this long-distance dispersal. The calculated function f(x) = 45878x-2,302 describes the number of spores flying 40 cm above the ground depending on the distance to the population. Colonization experiments have been carried out with isolated populations of the three parent species in Thuringia, each with a population of the ecological similar species L. clavatum. After more than two years 8% of the separated shoots of D. alpinum were still viable, 17% of D. complanatum, 8% of D. tristachyum and 22% of L. clavatum. Annual vegetative growth was 0.5 cm, 13.3 (± 1.8) cm, 7.5 cm and 9.1 (± 4.0) cm respectively. After the same period no spores germinated in the spore bags placed at the soil surface. Also, the additional germination experiments in axenic culture were not successful despite different treatment of spores (smoke, heating, concentrated sulfuric acid, mortar and pestle). Maybe there is a dormancy of the spores first to overcome. Finally, the number of yearly formed vertical shoots of a clone of D. x zeilleri (2.5 per year) and D. x issleri (2.0 per year) was determined indirectly using the ratio of the number of vertical shoots of the longest connection of rhizomes and the known age of the sites which corresponds to the maximal age of the clone. The connection of spatial separated shoots to a clone was verified with AFLP. These clones and many others in Germany are very old but without regeneration via spores. Maybe the low pH of the soils in Germany of 3.6 (± 0.24) measured at Diphasiastrum sites is a reason which make toxic aluminum available for plants. For the moment it is possible to halt the conservation status of the species while planting separated shoots at suitable sites but not to improve it as long as regeneration via spores is not effective.

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Metadaten
Author: Rico Kaufmann
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-22375
Title Additional (English):Developing of a strategy to ground new populations of the endangered Central European Diphasiastrum species based on experiments of their reproduction biology and the colonized sites
Referee:Prof. Dr. Martin Schnittler, Prof. Dr. Hanno Schäfer
Advisor:Prof. Dr. Martin Schnittler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2017
Date of first Publication:2018/07/05
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2017/11/14
Release Date:2018/07/05
Tag:Alter, DNA Extraktion, FFH, Fallgeschwindigkeit, Hybridisierung, Sporenfalle, Strobilus, gefährdet, klonal
GND Keyword:AFLP, Ausbreitung, Feuer, Flachbärlapp, Gametophyt, Keimung, Mykorrhiza, Spore, Stickstoff, Wasserstoffionenkonzentration
Pagenumber:127
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 580 Pflanzen (Botanik)