Vegetative reproduction and clonal diversity in pleurocarpous mosses (Bryophytina) of mesic habitats: A combined molecular and morpho-anatomical study in Pseudoscleropodium purum (Hedw.) M. Fleisch. ex Broth. (Brachytheciaceae), Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt. (Hylocomiaceae) and Rhytidiadelphus squarrosus (Hedw.) Warnst. (Hylocomiaceae)

Abstract

In this study three dioecious, pleurocarpous mosses Pseudoscleropodium purum, Pleurozium schreberi and Rhytidiadelphus squarrosus (Bryophytina), with rare sexual reproduction, were investigated with focus on genetic diversity and clonal reproduction. The study provided information about genetic structure of small populations and patches, it showed positive correlations between genetic diversity of a population and sporophyte occurrence, as well as the discovery of not yet documented possibilities for vegetative reproduction, using molecular (AFLP) and morpho-anatomical analysis. Although all three species are described to be rarely fruiting and therefore vegetative reproduction was expected to be mainly responsible for maintenance and expansion of patches and populations, this is only partly true. In fact the results of the molecular analysis rather showed that the genetic diversity within small populations and larger patches is to some extent relatively high in all three species. This favours the conclusion that sexual reproduction is more common than estimated. Another possible reason for the genetic diversity are somatic mutations but it seems that this is not the only reason, especially regarding the frequent findings of antheridia and archegonia in all three species, as well as sporadic findings of sporophytes in P. schreberi and R. squarrosus. The latter showed that the data on sporophytes occurrence in this three species has to be seen critically in recent literature. With the molecular approach clonal reproduction was revealed for P. purum and P. schreberi, but not for R. squarrosus. Clonal plants were mainly found within patches or small areas of up to 6 m², and only in populations where neither gametangia (or only gametangia of one sex) nor sporophytes were found. Additionally populations without any sign of sexual reproduction showed lesser genetic diversity than populations with sporophytes. The morpho-anatomical analysis showed possible options for clonal reproduction and vegetative reproduction s.str. in all three species, but especially P. purum and P. schreberi seem to have the greatest potential to form asexual diaspores. Most important for vegetative reproduction is consequent vegetative multiplication (clonal reproduction) due to decay and disintegration of older shoot parts and the forming of new dividuals (ramets). This type of clonal reproduction is accompanied by three types of vegetative reproduction s.str.: brood branches/branchlets, caducous shoot apices and brood leaves (only observed in P. schreberi) with basal rhizoid growth. These were described for the first time in this study for the selected species. In addition great numbers of missing shoot apices were observed in P. purum and P. schreberi, which may act as diaspores. Altogether the molecular results indicate that small populations are more influenced by sexual reproduction than predicted, although sexual reproduction is relatively rare. All three species showed abilities to reproduce vegetatively, so that maintenance and expansion of patches and small populations by asexual means is possible. Never the less the investigated populations indicate that sporadic sexual reproduction events play a major role in long term establishment of the three species.

In dieser Arbeit wurden drei diözische, pleurocarpe Laubmoose Pseudoscleropodium purum, Pleurozium schreberi und Rhytidiadelphus squarrosus (Bryophytina), mit Focus auf genetische Diversität und klonale Reproduktion untersucht. Gezeigt werden konnte die genetische Struktur kleiner Populationen und von Patches, eine positive Korrelation von genetischer Diversität und Sporogonhäufigkeit auf Ebene kleiner Populationen, sowie bis jetzt nicht erkannte Möglichkeiten asexueller Reproduktion. Zum Erreichen dieser Ergebnisse wurden Freilandarbeit, molekulare (AFLP) und morphologische Methoden kombiniert. Obwohl bei allen drei Arten selten Sporogone auftreten und daher asexuelle Reproduktion zur Erhaltung und Ausweitung von Patches/Populationen angenommen wurde, konnte dieses nicht oder nur teilweise bestätigt werden. Vielmehr wurden für alle drei Arten zum Teil große genetische Unterschiede innerhalb kleinerer Populationen und größerer Patches nachgewiesen, was auf sexuelle Reproduktion hindeutet. Als ein Grund müssen natürlich auch somatische Mutationen in Betracht gezogen werden, diese scheinen aber als alleiniger Grund für die gezeigte genetische Diversität recht unwahrscheinlich zu sein. Dafür sprechen auch regelmäßige Funde von Antheridien und Archegonien in allen drei Arten sowie vereinzelte Funde von Sporogonen für P. schreberi und R. squarrosus. Diese zeigen außerdem, dass die Literaturangaben zur Sporogonhäufigkeit in den drei untersuchten Arten kritisch zu sehen sind. Molekular konnte klonale Reproduktion für P. purum und P. schreberi, jedoch nicht für R. squarrosus nachgewiesen werden. Klone wurden dabei nur in Plots und kleineren Populationen gefunden, in denen weder Gametangien (oder nur Gametangien eines Geschlechts) noch Sporogone nachgewiesen wurden. Dabei erfolgten die Nachweise hauptsächlich innerhalb von Patches oder patchübergreifend auf Flächen von bis zu 6 m². Zusätzlich zeigten Populationen ohne Nachweise sexueller Reproduktion eine geringere Genetische Diversität, als Populationen in denen Sporogone gefunden wurden. Morphologisch konnten für alle drei Arten Möglichkeiten und Typen der klonalen Reproduktion und vegetativen Reproduktion s.str. beschrieben werden, wobei P. purum und P. schreberi das größte Potenzial der drei untersuchten Arten zeigten. Der wichtigste Mechanismus asexueller Reproduktion ist hierbei die Fähigkeit zur Selbstklonierung (klonale Reproduktion) durch Verrottung und die Teilung der Mutterpflanze in selbständige Dividuen (Ramets). Hinzu kommen drei Typen der vegetativer Reproduktion s.str., Brutäste, Brutknospen und Brutblätter (diese nur bei P. schreberi), die in dieser Arbeit für die untersuchten Arten erstmals beschrieben werden konnten. Zusätzlich muss eine auffällig große Anzahl fehlender Astspitzen und Endknospen als mögliche vegetative Diasporen in Betracht gezogen werden. Insgesamt deuten die molekularen Ergebnisse darauf hin, dass die untersuchten Populationen einem stärkeren Einfluss von sexueller Reproduktion unterliegen und diesem eine bedeutendere Rolle zukommt, als zuvor auf Grund von zum Teil sehr selten nachgewiesener sexueller Reproduktion angenommen wurde. Zusätzlich zur sexuellen Reproduktion verfügen jedoch alle drei Arten über Möglichkeiten der asexuellen Reproduktion, um den Erhalt und die Ausweitung von Patches und kleineren Populationen auch ohne sexuelle Reproduktion zu sichern.