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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.

Myxomycetes or Myxogastria (supergroup Amoebozoa) are one of several Protistean groups dispersing via airborne spores. The model organism for the group, so far exclusively studied in a laboratory environment, is Physarum polycephalum. Here, molecular evolution, distribution and the ecology of spores dispersal was investigated for the non-model species Physarum albescens. This nivicolous myxomycete fruits with snow melt in most mountain ranges of the northern hemisphere and disperses via spherical, dark-colored and melanin-rich spores. Fruit body development and subsequent spore dispersal occurs within a short time window of a few days. At this time, the fruiting plasmodium is fully exposed to the harsh environment if the protecting snow melts away. The spores, with a diameter of 10–13 µm of the typical size for myxomycetes, can potentially reach all suitable habitats worldwide, which led to the assumption that not only Ph. albescens but most myxomycete species should be ubiquitously distributed over the world. In the first part of this study (article 1), the question was, if spore dispersal can realize a gene flow sufficient to meet the above-mentioned assumption. A total of 324 accessions of Ph. albescens, collected all over the northern hemisphere, was sequenced for 1-3 genetic markers (SSU, EF1A, COI), and 98 specimens were further analyzed using the genotyping by sequencing technique. As a result, at least 18 reproductively isolated units, which can be seen as cryptic biological species, emerged as phylogroups in a three-gene phylogeny, but as well in a SNP-based phylogeny and were confirmed by a recombination analysis between the three markers. However, this evolutive radiation is not simply caused by geographic fragmentation due to low dispersal capability: within a certain region, multiple phylogroups coexisted next to each other, although some appeared to be regional endemics. Most likely, mutations in mating-type genes, as shown to exist for the cultivable Ph. polycephalum, are the main drivers of speciation. This challenges the hypothesis of ubiquitous distribution of Ph. albescens and corroborates the results of the few available studies for other myxomycete species. In addition, groups of clonal specimens, mostly but not always restricted to a certain slope or valley indicated that sexual and asexual reproduction coexists in the natural populations of Ph. albescens. In the second part (articles 2), the fundamental niche for Ph. albescens was described using all available records for the species. The resulting set of 537 unique occurrence points was subjected to a correlative spatial approach using the software MaxEnt. In dependence on the predictor variables three species distribution models emerged which differed only in details. The first consisted of only 19 bioclimatic variables and an elevation map from the WorldClim dataset. The second was corrected for pseudo-absences resulting from missing survey activities, and the third was expanded with an additional categorical environment variable on snow cover. High mean AUC (area under the curve) values above 0.97 could be reached with all three models. Variables for snow cover, precipitation of the coldest quarter (of the year), and elevation correlated highly to predict the distribution of Ph. albescens. Only in mid-northern latitudes, elevation alone was a good predictor, but it would cause false-positive predictions in arid mountain ranges and failed to explain occurrence in lowland sites at higher latitudes. Mountains in humid climates showed the highest incidences, confirming recent studies that long-lasting snow covers combined with mild summers are crucial for the ecological guild of nivicolous myxomycetes, with Ph. albescens as a typical species. Spore size is crucial for dispersal ability and should thus be a character under strong selection. In addition, spores carrying two nuclei with opposite mating types should have a colonization advantage. This was the hypothesis for the last part of this study (articles 3 and 4), which investigated this trait in a quantitative manner. This required a method to analyze thousands of spores automatically (article 3) and with high precision for size and the number of nuclei enclosed. Human errors should be excluded, to reveal even subtle differences in the resulting spore size distributions. Two challenges had to be met for this approach. First, a preparation technique was developed to reduce false segmentations due to overlaying spores by aligning spores on one common plane with a high-frequency vibration device. Second, the segmentation process was automated to allow separating spores that are densely packed in the respective images. A machine learning algorithm was set up and trained to reliable identify and measure dark-colored spores. The technique produced consistent results with high accuracy, and the large number of spores allowed to compile spore size distributions, to check for the constancy of this character, which is impossible with manual measurements limited to low numbers. The resulting spore size distributions, obtained from over 80 specimens (article 4), were mostly narrow, which is in accordance with our hypothesis. Spore size was as well fairly constant within fructifications from one colony. However, mean spore size within different accessions of Ph. albescens showed large variation (ca. 10%, a range often indicated to key out different morphospecies of myxomycetes), and this was explained only by a minor part with differences between biospecies. Not much smaller (8%) was the variation within a group of clonal specimens collected within 25 m distance. This points to a strong influence of environmental factors even at a micro spatial scale, perhaps caused by microclimatic differences and high phenotypic plasticity for spore size. The influence of large-scale covariates like altitude or latitude was negligible. However, spore size correlated with the variance in this trait, indicating that oversized spores may be caused by detrimental environmental conditions. Two aberrations in spore development were found: First, a few specimens showed a multimodal distribution for spore size with two or even three discernible spore populations. The estimated volumes of those populations correspond to a multiple of the first and most abundant conspicuous spore size population. Second, not all spores were uninucleate as to be expected for meiotic products. This was revealed by fluorescence signals from staining the same spores with DAPI, with a second machine learning algorithm trained to identify the nuclei in a spore. A few specimens showed a significant proportion of binucleated spores in the size range of normal-sized ones, and these specimens were not the ones with multimodal spore size distributions. This indicates that the negative impacts (inbreeding) of multinucleate spores should outweigh a possible colonization advantage and is in accordance with the high genetic diversity found in the worldwide population of Ph. albescens, indicating predominantly sexual reproduction in wild populations of myxomycetes.

In Mitteleuropa kommen innerhalb der Gattung Diphasiastrum neben drei Ausgangsarten (D. alpinum, D. complanatum, D. tristachyum) drei Taxa hybridogenen Ursprungs vor (D. x issleri = D. alpinum x D. complanatum; D. x oellgaardii = D. alpinum x D. tristachyum; D. x zeilleri = D. complanatum x D. tristachyum). Alle sechs Taxa sind diploid. Die homoploiden Hybriden unterscheiden sich sowohl morphologisch als auch hinsichtlich ihres Kern-DNA-Gehaltes deutlich voneinander und nehmen eine intermediäre Stellung zwischen ihren Elternarten ein. Daher ist zu vermuten, dass es genetische Schranken für Rückkreuzungen gibt. Außer den regelmäßig auftretenden diploiden Hybriden konnten drei sehr seltene triploide Diphasiastrum-Hybriden nachgewiesen werden. Auf Grund ihres Kern-DNA-Gehaltes und der Morphologie kann auf folgende Kombinationen geschlossen werden: Diphasiastrum alpinum x D. x issleri (Genomformel AAC), Diphasiastrum alpinum x D. x oellgaardii (Genomformel AAT), Diphasiastrum complanatum ssp. complanatum x D. x issleri (Genomformel ACC). Es kann vermutet werden, dass diese triploiden Hybriden durch eine Kreuzbefruchtung zwischen einem diploiden Gametophyten, entstanden aus einer Diplospore, und einem haploiden Gametophyten hervorgegangen sind. Diplosporen könnten auch zur Vermehrung der diploiden Hybriden mittels Sporen beitragen; allerdings sind sie bei Flachbärlappen noch nicht experimentell eindeutig nachgewiesen. Bisherige Untersuchungen dreier genetischer Marker (cp, RPB, LFY) sowie die Ergebnisse einer AFLP-Analyse legen jedoch eine überwiegende de-novo-Entstehung durch primäre Kreuzungsereignisse nahe. Die drei Elternarten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer genetischen Diversität erheblich. Während von D. alpinum mindestens zwei genetische Linien existieren, ist D. tristachyum offensichtlich wenig variabel. Die größte genetische Vielfalt weist D. complanatum auf, für das eine sexuelle Reproduktion durch flowzytometrische Untersuchungen der gametophytischen Generation nachgewiesen werden konnte. Auch die Hybriden sind genetisch nicht einheitlich, was für unabhängige Entstehungsereignisse spricht. Die Vertreter der Gattung Diphasiastrum weisen einen ausgeprägten Pioniercharakter auf und können Lebens-räume mit frühen Sukzessionsstadien erfolgreich besiedeln. Hier bilden sie durch ihr klonales Wachstum flächig ausgedehnte Bestände (Klone) aus. Diese können, längerfristig geeignete Standortbedingungen vorausgesetzt, ein Alter von vielen Jahrzehnten bis zu mehreren Hundert Jahren erreichen. Mit ihren staubfeinen Sporen sind Flachbärlappe auch zur Besiedlung von Gebieten, die von bestehenden Vorkommen weiter entfernt sind, mittels Langstreckentransport durch die Luft befähigt. Flachbärlappe sind obligate Dunkelkeimer mit sich über mehrere Jahre erstreckenden Entwicklungszyklen. Die heterotrophen unterirdisch lebenden Gametophyten benötigen für Ihre Entwicklung Mykorrhizapilze. Funde von Gametophyten des Alpen-Flachbärlapps boten die Möglichkeit, den assoziierten Mykorrhizapilz morphologisch und genetisch zu untersuchen. Dieser wurde als zur Sebacinales-Gruppe B (Agariomycota) zugehörig identifiziert. Diese Pilzgruppe ist auch als Mykorrhizapartner von Ericaceen (Heidekrautgewächse) bekannt. Da keine Hinweise auf eine Mykorrhizierung des sporophytischen Bärlapp-Gewebes gefunden wurden, ist die Beziehung zwischen Pilz und Bärlapp möglicherweise nicht symbiotischer sondern parasitischer Natur. Der mykoheterotrophe Bärlapp-Gametophyt würde in diesem Fall epiparasitisch auf Vertretern der Ericaceen leben. Dies würde die regelmäßige Vergesellschaftung von Flachbärlappen mit verschiedenen Heidekrautgewächsen erklären. Eine ericoide Mykorrhiza bei Bärlappen, bestehend aus einem Netzwerk zwischen Ericaceen, Mykorrhizapilzen und Bärlapp-Gametophyten, wurde zuvor nicht beobachtet. Die aktuelle Verbreitung der Flachbärlappe ist in den meisten Landesteilen Deutschlands und auch in einigen anderen Regionen Mitteleuropas weitgehend bekannt. Ihre früheren Arealbilder sind hingegen erst für Teilgebiete geklärt, was auf ihre schwierige Bestimmbarkeit und der über Jahrzehnte in der botanischen Literatur bestehenden taxonomischen Verwirrung zurückzuführen ist. Die frühere Verbreitung konnte auf der Basis kritischer Herbarrevisionen bislang für Niedersachsen und Bremen, Nordrhein-Westfalen, Thüringen und Teilgebiete Hessens und Bayerns rekonstruiert werden. Die standortökologischen Ansprüche der Flachbärlapp-Sippen sind für Deutschland und einige Regionen angrenzender Länder hingegen gut untersucht. Es werden Sandböden mit unterschiedlich hohen Lehm- und Tonanteilen besiedelt, die relativ humusreich sind und größere Skelettanteile aufweisen können. Die Böden sind trocken bis frisch, reagieren sehr stark bis stark sauer (pH-Werte zwischen 2,9 und 4,5) und sind nährstoffarm (Stickstoffgehalte im Mittel zwischen 0,12 % und 0,25 %). Hinsichtlich ihrer Lichtansprüche unterscheiden sich die Flachbärlapp-Taxa erheblich. D. complanatum, D. tristachyum und ihre Hybride D. x zeilleri besiedeln recht heterogene Wuchsorte und sind sowohl an halbschattigen als auch lichtreichen Standorten zu finden (relativer Lichtgenuss meist zwischen 20 % und 80 %). D. alpinum und seine Hybriden D. x issleri und D. x oellgaardii bevorzugen dagegen offene Wuchsorte mit einem relativen Lichtgenuss zwischen 80 % und 100 %. Die allermeisten Vorkommen von Flachbärlappen sind in Mitteleuropa heute an Sekundärstandorten anthropogenen Ursprungs zu finden. Primärstandorte stellen außerhalb des Alpenraumes die große Ausnahme dar. Die Vergesellschaftung der Flachbärlappe ist gut dokumentiert. Neben verschiedenen von Nadelhölzern dominierten Wald- und Forstgesellschaften (Leucobryo-Pinetum, Cladonio-Pinetum, Vaccinio myrtilli-Piceetum) treten sie in verschiedenen Vegetationstypen des Offenlandes mit lückiger und kurzrasiger Struktur auf (Vaccinio-Callunetum, Genisto anglicae-Callunetum, Violion- und Nardion-Gesellschaften, Festuca nigrescens-Agrostis capillaris-Bestände). Die Flachbärlappe sind seit Jahrzehnten von einem dramatischen Bestandsrückgang betroffen und werden daher in den meisten nationalen Roten Listen Mitteleuropas als stark gefährdet oder sogar als vom Aussterben bedroht geführt. Hauptgrund ist das fast vollständige Verschwinden ihrer ehemaligen Lebensräume durch Aufgabe traditioneller Nutzungsformen und Änderungen in der forstlichen Bewirtschaftung. Die zunehmende Eutrophierung durch die ständig intensiver werdende Landwirtschaft stellt einen sukzessionsbeschleunigenden Faktor dar und bedingt, dass die Verweildauer eines Bestandes an einem Sekundärstandort ohne pflegende Eingriffe mittlerweile auf maximal 10 bis 15 Jahre gesunken sein dürfte. Allerdings lassen sich die Bestände durch das regelmäßige manuelle Entfernen bzw. Eindämmen pflanzlicher Konkurrenten stützen und ihre Überlebensdauer damit deutlich erhöhen, wie Erfahrungen im Rahmen diverser Artenhilfsprogramme in verschiedenen Teilen Deutschlands gezeigt haben. Auch die Flachbärlapp-Hybriden bilden langlebige und flächig ausgedehnte Klone aus und können fernab einer oder sogar beider Elternarten auftreten. Unabhängig von ihrer noch ungeklärten generativen Reproduktionsfähigkeit verhalten sie sich wie unabhängige Arten und sollten daher naturschutzfachlich auch als solche bewertet werden. Der starke Rückgang sowie eine hohe internationale Verantwortlichkeit Deutschlands für einige Diphasiastrum-Taxa, speziell für D. x issleri und D. x oellgaardii, zeigen die dringende Notwendigkeit für gezielte Artenhilfsprogramme für diese faszinierende Pflanzengruppe.