Population genetic structure and plant fitness of natural and ex situ populations in Silene chlorantha (WILLD.) EHRH. and Silene otites (L.) WIBEL

Abstract

Within the presented thesis „Population genetic structure and plant fitness of natural and ex situ populations in Silene chlorantha (WILLD.) EHRH. and Silene otites (L.) WIBEL“ the effects of temporal and spatial isolation on population genetic structure and plant fitness were analysed. The hermaphroditic Silene chlorantha (Caryophyllaceae) and the dioecious S. otites in north-eastern Germany served as model species. Effects of inbreeding and outbreeding on genetic diversity and plant performance were investigated in a pollination experiment. Additionally, population structures between botanic garden ex situ populations and corresponding in situ source populations were compared. Genetic population structure was analysed using the DNA fingerprinting technique AFLP. Fitness evaluations were conducted in the field and in common garden approaches and data were analysed by statistical modelling. In both Silene species, population genetic studies, which used a Bayesian approach, AMOVA and neighbour-joining analyses, revealed a strong genetic differentiation among populations. Additionally, in both species no correlation between geographic and genetic distance could be found. The results indicate that patterns of population differentiation are mainly due to reproductive isolation and genetic drift. In S. chlorantha, fitness evaluation revealed pollinator limitation and habitat quality to be more important for reproductive fitness than genetic diversity by itself. Genetic diversity was similar in the botanic garden ex situ and the in situ source population. A very low level of differentiation between both populations could be observed. In S. chlorantha, plant performance was similar in ex situ and in situ progeny. F1 progeny of cross-pollinations in S. chlorantha featured heterosis and inbreeding depression whereas no outbreeding depression could be observed. Genetic diversity could only be enhanced, if one partner originated from a genetically diverse population. A high level of genetic differentiation among populations of S. otites in north-eastern Germany was found. Neither a correlation between geographic and genetic distance nor between genetic diversity and population size could be detected, which indicates reduced gene flow among populations and random genetic drift. Plant performance was positively related to population size and genetic diversity. Higher total vegetation coverage resulted in reduced plant fitness. Additionally, in S. otites a sex ratio bias towards more male plants in larger populations could be observed. The results indicate that dioecy does not necessarily prevent from genetic erosion in case of habitat fragmentation. In S. otites, genetic variation in the ex situ populations was lower than the variation found in corresponding in situ populations. Strong differentiation between corresponding in situ and ex situ populations was observed. This could be the result of small population sizes and unconscious selection during cultivation. Therefore, adequate sampling prior to ex situ cultivation and large effective ex situ population sizes are important to preserve genetic diversity.

Die vorliegende Arbeit mit dem Titel „Population genetic structure and plant fitness of natural and ex situ populations in Silene chlorantha (WILLD.) EHRH. and Silene otites (L.) WIBEL“ analysiert die Effekte zeitlicher und räumlicher Isolation auf die genetische Populationsstruktur und Fitness der zwittrigen Pflanzenart Silene chlorantha (Caryophyllaceae) und der zweihäusigen Pflanzenart Silene otites (Caryophyllaceae) in Nordostdeutschland. Die Auswirkungen von Inzucht und Auszucht auf die genetische Diversität und Fitness wurden mittels eines Bestäubungsexperiments untersucht. Des Weiteren wurde die genetische Populationsstruktur zwischen ex situ Kulturen in Botanischen Gärten und deren dazugehörigen Freilandpopulationen verglichen. Die genetische Populationsstruktur wurde mit Hilfe der DNA-fingerprint Technik AFLP untersucht. Die Datenerhebungen zur Fitness wurden an den Wildstandorten und in experimentellen Ansätzen im Versuchsgarten durchgeführt. Analysiert wurden die Daten mit Hilfe verschiedener statistischer Modelle. Bei beiden Silene-Arten waren die Populationen genetisch stark differenziert, dies wurde durch Bayesische Ansätze, AMOVA und neighbour-joining Analysen gestützt. Es konnte keine Korrelation zwischen genetischer und geographischer Distanz nachgewiesen werden. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die Populationsstruktur maßgeblich durch reproduktive Isolation zwischen den Populationen und durch genetische Drift beeinflusst wird. Die Analysen zur Fitness bei S. chlorantha ergaben einen positiven Einfluss der Populationsgröße und einen deutlichen Effekt der Habitatqualität. Die genetische Diversität hatte im Gegensatz zu den Habitatfaktoren einen geringeren Effekt auf die Fitness. Die genetische Diversität der in- und ex situ Population war bei S. chlorantha gleich. Die genetische Differenzierung zwischen beiden war sehr niedrig und es konnte kein Unterschied in der Pflanzengröße nachgewiesen werden. Die F1 Generation der Kreuzbestäubungen zeigte Effekte von Inzucht und Heterosis, Auszuchtdepression konnte zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht nachgewiesen werden. Die genetische Diversität von Populationen konnte nur dann erhöht werden, wenn mindestens ein Kreuzungspartner aus einer genetisch diversen Population kam. Auch bei S. otites wurde eine deutliche Differenzierung der untersuchten Wildpopulationen in Nordostdeutschland gefunden. Weder eine Korrelation zwischen geographischer und genetischer Distanz, noch zwischen genetischer Diversität und Populationsgröße konnte nachgewiesen werden. Die Ergebnisse lassen auf einen reduzierten Genfluss zwischen den Populationen und genetische Drift schließen. Die Fitness korrelierte positiv mit der Populationsgröße und der genetischen Diversität. Bei den Freilandstudien führte eine höhere Vegetationsdeckung zu einer verringerten Fitness von S. otites. Außerdem konnte eine Verschiebung des Geschlechterverhältnisses in Richtung Männchenüberschuss in großen Populationen nachgewiesen werden. Die Untersuchung an S. otites ergab eine deutliche Differenzierung zwischen den in- und den ex situ Populationen. Die genetische Diversität der ex situ Populationen war niedriger als die der dazugehörigen Wildpopulationen. Mögliche Ursachen sind kleine Populationsgrößen in den ex situ Kulturen sowie eine unbewusste Selektion während der Kultivierung. Daher werden eine optimale Besammlung des Ausgangsmaterials und größere Populationsgrößen während ex situ Kutlivierung empfohlen, um die genetische Diversität längerfristig erhalten zu können.