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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:9-000783-2

Population genetics and reproduction biology of Populus euphratica Oliv. (Salicaceae) at the Tarim River, Xinjiang Province, NW China

  • To uncover the genetic structure of Populus euphratica forests along the Tarim River in Xinjiang, China, a PCR set of eight microsatellite markers was established. 18 primer pairs originally developed for P. tremuloides and P. trichocarpa were screened for amplification in P. euphratica. The eight most variable loci were selected for further genotyping experiments. Subsequently, two multiplex PCR assays, each containing four loci, were set up and optimized. Three populations containing altogether 436 trees were used to characterize the selected loci. The set was found to be moderately polymorphic (mean expected heterozygosity = 0.57). The resolution was sufficient to discriminate even siblings with high confidence (PID = 1.81x10-5). Cumulative exclusion probabilities were 0.89 (single parent), 0.98 (paternity), and 1.00 (parent pair) and proved the set’s suitability for parentage analysis. Practical and theoretical analysis of consequences of genotyping errors in this semi-clonal plant showed that the vast majority of errors (62.1%) lead to division of identical genotypes. Merging of different genotypes was found to be a very rare case (0.4%). This always leads to an overestimation of genotypes. A similarity threshold of one allele difference between two genotypes to be regarded as being identical lead to an underestimation of clonal richness and genotype number of one per cent compared to an overestimation of more than 20 per cent without such a threshold. Allowing a certain amount of variation is therefore expected to reflect the clonal structure better than an analysis that considers exact matches only. Using a combination of morphological and molecular analyses, a first study demonstrated that root suckers are clearly distinguished from seedlings in their root architecture. Root suckering starts when trees are 10–15 years old and bridges distances of up to 40 m at a time. Root suckers depend on their parent tree for at least five years and are expected to have a higher mortality than generatively grown trees. Molecular analysis of old growth stands revealed a highly variable proportion of clonal growth between different stands. In the study area, the proportion of clonality decreases with distance to the main river bed (R = 0.31 at the site closest to the main river, R = 0.97 at the site farthest away from the river). An analysis of the history of river movements at different sites indicates a dependency of clonal growth on the frequency of ground water replenishment by the yearly floods. Genetic differentiation among the stands in the study area is low (FST = 0.055), and isolation by distance was not detectable (P = 0.058). Also, the river does not function as a vector for directed gene flow in downstream direction (P > 0.11). The forests are therefore considered to be one large panmictic metapopulation with unrestricted gene flow. Clonal growth does not lead to higher final stand densities (P = 0.99) and is obviously not of crucial importance for stand survival. Furthermore, analysis of vitality measures and size differences indicate that root suckers are in disadvantage both in vitality and in survival rate compared to seedlings. In this light, a possible function of clonal growth as a luxury strategy to enhance a genetic individual’s reproduction success under good site conditions can be discussed. The genetic structure of the (meta)population bears direct implications for management and conversation of the Tugai forest in Xinjiang. Due to the low degree of differentiation and the unhindered gene flow even small, fragmented, or isolated populations have conservational value, thereby clearly answering the SLOSS question (a single large or several small protected areas) in the latter sense. More than that, non-clonal stands with the highest amount of genotypic diversity can be easily identified on satellite and aerial images. Selection of such stands for conservation is therefore possible without expensive and time-consuming molecular analyses.
  • Um die genetische Struktur der Populus euphratica-Wälder entlang des Tarim in Xinjiang, China zu untersuchen wurde ein PCR-Primersatz aus acht Mikrosatellitenloci etabliert. 18 ursprünglich für P. tremuloides und P. trichocarpa entwickelte Primerpaare wurden auf Amplifikation bei P. euphratica getestet. Die acht variabelsten Loci wurden für die folgenden Genotypisierungen ausgewählt. Zwei jeweils vier Primerpaare enthaltende Multiplex PCRs wurden anschließend etabliert und optimiert. Die ausgewählten Loci wurden anhand dreier Populationen mit insgesamt 436 Bäumen charakterisiert. Der Primersatz zeigt mittlere Polymorphiewerte (mittlere erwartete Heterozygosität = 0,57). Die Auflösung ist ausreichend für die Unterscheidung von Geschwistern (PID = 1,81x10-5). Die kumulativen Ausschlusswahrscheinlichkeiten liegen bei 0,89 (single parent), 0,98 (paternity) und 1,00 (parent pair) und belegen damit die Eignung des Primersatzes für Elternschaftsanalysen. Praktische und theoretische Analysen der Auswirkungen von Genotypisierungsfehlern bei dieser semiklonalen Art ergaben, dass der weitaus überwiegende Anteil der Fehler (62,1%) zur Aufspaltung identischer Genotypen führt. Die Nichtauflösung real unterschiedlicher Genotypen ist ein sehr seltener Fall (0,4%) und unterstreicht die hohe Trennschärfe der Methode. Diese Eigenheiten führen immer zu einer Überschätzung der tatsächlichen Genotypenzahl. Zur Lösung dieses Problems wurde ein Schwellenwert eingeführt, der Abweichungen zwischen zwei Proben desselben Genotyps zulässt. Die Toleranz der maximalen Abweichung in einem Allel zwischen zwei als identisch gewerteten Genotypen ergab eine Unterschätzung der genetischen Vielfalt und der Genotypenzahl von einem Prozent im Vergleich zu einer Überschätzung von mehr als 20 Prozent ohne Schwellenwert. Wir erwarten daher, dass ein solcher Schwellenwert die klonale Struktur besser reflektiert, als die ausschließliche Beachtung vollständiger Übereinstimmung zwischen Genotypen. Unter Verwendung morphologischer und molekularer Methoden konnte im Zuge einer ersten Studie nachgewiesen werden, dass sich Wurzelsprosser in ihrer Wurzelarchitektur klar von Sämlingen unterscheiden. Vermehrung über Wurzelsprosser setzt ein, wenn die Bäume 10–15 Jahre alt sind und kann Entfernung von bis zu 40 m überbrücken. Wurzelsprosser sind über einen Zeitraum von wenigstens fünf Jahren abhängig von ihren Elternbäumen. Insbesondere unter Wasserstress wird erwartet, dass die Mortalität von Wurzelsprossern höher ist als von Sämlingen. Molekulare Analysen alter Bestände ergaben, dass die relative Klonalität zwischen verschiedenen Beständen stark schwankt. In unserem Untersuchungsgebiet nimmt die Klonalität mit der Entfernung zum Hauptfluss ab (R = 0,31 in den flussnahen Beständen, R = 0,97 im am weitesten entfernten Bestand). Eine Analyse der Flussbewegungen seit 1903 deutet eine Abhängigkeit der Stärke klonalen Wachstums von der Regelmäßigkeit der Grundwasserauffrischung durch das jährliche Hochwasser an. Die genetische Differenzierung der von uns untersuchten Bestände ist gering (FST = 0,055). Eine Abhängigkeit genetischer Ähnlichkeit von räumlicher Entfernung konnte nicht nachgewiesen werden (P = 0,058). Eine Funktion des Flusses als Vektor flussabwärts gerichteten Genflusses wurde ebenfalls nicht nachgewiesen (P > 0,11). Die Wälder des Untersuchungsgebietes werden daher als panmiktische Metapopulation mit ungehindertem Genfluss aufgefasst. Klonales Wachstum führt nicht zu höheren Bestandsdichten (P = 0,99) und ist für das langfristige Überleben eines Bestandes offensichtlich nicht von ausschlaggebender Bedeutung. Die Analyse von Vitalitätswerten und Größenunterschieden weist weiterhin auf eine Benachteiligung von Wurzelsprossern, sowohl in ihrer Vitalität als auch in ihrer Überlebensrate im Vergleich zu Sämlingen hin. Im Licht dieser Ergebnisse lässt sich klonales Wachstum als Luxusstrategie zur Erhöhung des Reproduktionserfolges eines genetischen Individuums unter guten Standortbedingungen diskutieren. Die Erkenntnisse zur genetischen Struktur der Wälder tragen direkte Implikationen für Verwaltung und Schutz der Tugay-Wälder in Xinjiang. Aufgrund der geringen genetischen Differenzierung und des ungehinderten Genflusses besitzen auch kleine, fragmentierte oder isolierte Populationen Schutzwert. Die SLOSS-Frage nach der größeren Schutzwürdigkeit einer einzelnen großen oder mehrerer kleiner Flächen kann für diesen Fall klar im letzteren Sinn beantwortet werden. Darüber hinaus zeigte sich, dass nichtklonale Bestände mit dem größten Anteil genotypischer Vielfalt auf Satelliten- oder Luftaufnahmen leicht identifiziert werden können. Die Auswahl besonders schutzwürdiger Bestände ist somit auch ohne aufwendige und teure Laboruntersuchungen möglich.

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Metadaten
Author: Pascal Eusemann
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000783-2
Title Additional (German):Populationsgenetik und Reproduktionsbiologie von Populus euphratica Oliv. (Salicaceae) am Tarim, Provinz Xinjiang, NW China
Advisor:Prof. Dr. Martin Schnittler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2010/04/28
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2010/04/23
Release Date:2010/04/28
Tag:Auenökosysteme, Genetische Diversität, Klonales Wachstum, Landschaftsdynamik, Mikrosatelliten
Microsatellites, clonal growth, genetic diversity, landscape dynamics, riparian ecosystems
GND Keyword:Populationsbiologie, Populationsgenetik
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 580 Pflanzen (Botanik)