Sorbus-(Klein)arten aus genetischer Sicht

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1 Sorbus-(Klein)arten aus genetischer Sicht Ludger Leinemann, Bernhard Hosius, Karina Kahlert und Wolfgang Arenhövel Ilmenau

2 Inhalt Einleitung Hypothesen über die Entstehung der Sorbus- (Klein)arten Material Methoden Genmarkeranalysen zur Prüfung der Hypothesen Ergebnisse Zusammenfassung

3 Einleitung - Die Breitblättrigen Mehlbeeren 1. Aus Kreuzungen zwischen Elsbeere (Sorbus torminalis L.) und Gewöhnlicher Mehlbeere (Sorbus aria (L.) Crantz) entstanden. 2. Polyploide aus den diploiden Ausgangsarten: Sorbus aria (Samenelter) und Sorbus torminalis (Pollenelter). 3. Für die Arten wird vermutet, dass sie weitgehend auf Vermehrung durch Apomixis angewiesen sind. aus Kahlert et al. 2011

4 Fragestellungen Sind die Kleinarten genetische Hybriden von S. aria und S. torminalis? Gibt es in den untersuchten Genombereichen Hinweise auf Polyploide? Sind Kreuzungen mit S. aria und S. torminalis obligatorisch? Geschieht die Fortpflanzung apomiktisch (vegetativ)?

5 Material Leinemann et al Untersucht wurden insgesamt 141 Proben von insgesamt 12 Arten bzw. Sippen, darunter auch die potenziellen Ausgangsarten Sorbus aria und Sorbus torminalis. Neben den acht potenziellen und botanisch charakterisierten Hybriden (Sorbus acutisecta, Sorbus decipiens, Sorbus heilingensis, Sorbus isenacensis, Sorbus latifolia, Sorbus multicrenata, Sorbus parumlobata, Sorbus subcordata) wurden auch die Arten Sorbus pinnatifida und Sorbus intermedia einbezogen Leinemann et al Kollektive (S. aria, S. torminalis, 13 x S. latifolia s.l.) deren Stichprobengröße zwischen 1 und 15 variiert. -Im Vorkommen Wasserleite 19 Altbäume und 10 Pflanzen der Naturverjüngung (NV) Von einigen Bäumen erfolgte die Untersuchung von insgesamt 21 Samen. -Zusätzlich 27 Samen von drei Bäumen aus dem Vorkommen Espenfeld. Meskes Proben (51 S. aria, 47 S. torminalis, 113 Proben von (S. latifolia agg.), Sorbus aucuparia, Sorbus intermedia.

6 Methoden- Kerngenmarker mit biparentaler Vererbung Pollen Eizellen S. aria S. latifolia agg. S. torminalis An einem Genort müssen Hybride jeweils eine Erbanlage der beiden Ausgangsarten aufweisen. Ideal für den Nachweis ist eine vollkommene genetische Differenzierung an mindestens einem Genort.

7 Methoden Haplotypen aus mütterlich vererbten cpdna-genmarkern Pollen Eizellen S. aria S. latifolia agg. S. torminalis Der Nachkomme zeigt welcher Baum (welche Art) war der Samenelter. Ideal ist auch hier eine vollständige genetische Differenzierung der Nachkommen

8 Methoden Untersuchte Mikrosatelliten (SSR-Genmarker), Vererbung, Primersequenzen (5-3 ) und Anlagerungstemperatur Bezeichnung Vererbung Sequenz Anlagerungs - MSS5* biparental 5`-CCC CAA CAA CAT TTT TCT CC-3` 5`-CCT CTC GCT CTT TGC CTC T-3` temperatur 60 C MSS13* MSS16* biparental biparental 5`-TAT GCG TCT TTC CAT TCC G-3` 5`-GCG TTT GAC TC? CTC AGA TTT G- 3` 5`-CTC CCC TTG TGT GAT GCC-3` 5`-TTG CCC TCA AAG AAT GCC-3` 56 C 57 C ccmp3** maternal 5`-CAG ACC AAA AGC TGA CAT AG-3` 5`-GTT TCA TTC GGC TCC TTT AT-3` 55 C ccmp4** maternal 5`-AAT GCT GAA TCG AYG ACC TA-3` 5`-CCA AAA TAT TBG GAG GAC TCT-3` 54 C * ODDOU-MURATORIO et al. (2001), ** WEISING & GARDNER et al. (1999)

9 Ergebnisse

10 Anzahl der beobachteten Haplotypen (Leinemann et al. 2013) Vorkommen Haplotypen S9 S14 S16 S22 ARIA 9 TORM 7 2 BAER 5 STAMA 5 NAER 5 1 HOST 1 HUEG SCHF 5 RUNW 1 WASS 13 TRKE 5 2 LUPP 5 GOTT 3 BUBE NEUB 5 Insgesamt zeigten unter 71 Proben S. aria und 85 Proben S. torminalis nur zwei als S. aria bestimmte Bäume Haplotypen von S. torminalis (Leinemann et al. 2010, 2013, Meskes 2013). 1. Praktisch vollständige genetische Differenzierung zwischen den Elternarten! 2. Für jede Hybride ist eine eindeutige Bestimmung der Kreuzungsrichtung möglich! 3. Sowohl S. aria als auch S. torminalis können als Mutter fungieren!

11 Gruppierungsanalyse auf der Basis genetischer Unterschiede der cpdna (Leinemann 2010)

12 Kerngenmarker

13 Kaum Hinweise auf Polyploidie!

14 Allelfrequenzen am Genort MSS16. Summarische Darstellung der Allelfrequenzen der differenzierenden Allele in S. aria und S. torminalis und den Hybriden (1= 0,513; 2 = 0,487) (b). 0,8 0,6 0,4 0,2 0, MSS16 ARIA TORM Hybride 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1 2 MSS16 ARIA TORM Hybride

15 Artzuordnung auf der Basis von Genlocus MSS16

16 Artzugehörigkeit analysiert mit Structure (Meskes 2013) Art Nr. S. aria 1 (S. aucuparia) 2 (S. intermedia) 3 S. latifolia 4 S. acutisecta 5 S. decipiens 6 S. heilingensis 7 S. isenacensis 8 S. vagensis 9 S. torminalis 10 (S. hybrida) 11 Auf der Basis von insgesamt 233 Proben davon 51 S. aria und 47 S. torminalis.

17 Allelhäufigkeiten im Vorkommen Wasserleite (Altbäume zusammen mit Naturverjüngung, Samen) und Gottesholz (nur Samen) für die biparental vererbten Kern- Genmarker. 1. Altbäume und Jungwuchs sind genetisch identisch! 2. Samen zeigen generative Vermehrung und sind genetisch variabel! 3. Keine Apomixis! Locus Altbestand (17) Jungwuchs (10) Samen WASS Samen GOTT N Allele MSS ,000 0,125 0, ,000 0,000 0, ,500 0,400 0, ,000 0,025 0, ,000 0,025 0, ,500 0,350 0, ,000 0,000 0, ,000 0,025 0, ,000 0,000 0, ,000 0,050 0,074 MSS ,500 0,405 0, ,000 0,024 0, ,500 0,405 0, ,000 0,119 0, ,000 0,048 0,056 MSS ,500 0,476 0, ,000 0,024 0, ,000 0,095 0, ,000 0,071 0, ,500 0,333 0, ,000 0,000 0, ,000 0,000 0,019 Allelische Vielfalt * Genotypische Vielfalt** 1! 17 27

18 Zusammenfassung: Hybridbildung und Polyploidie Neben Hybridgruppen, die ausschließlich den S. aria Haplotypen S9 aufweisen, sind auch solche zu finden, die nur S. torminalis Haplotypen aufweisen Beide Arten können Samenelter sein! Die Analyse der Kern-DNA untermauert den Hybridstatus der botanisch charakterisierten Hybriden Mit zwei Ausnahmen besitzen alle Hybriden jeweils ein Allel von S. aria und eins von S. torminalis Allele am Genort MSS16. Es handelt sich damit wahrscheinlich um primäre Hybriden. Keine Hinweise auf Polyploidie! (s. a. Meyer et al. 2014)

19 Zusammenfassung: Natürliche Verjüngung, Apomixis und Genfluss In einem Vorkommen wurden alle Altbäume (19) und die vorhandene Naturverjüngung (10) untersucht. Alle besaßen den gleichen Genotyp! Die Annahme klonaler Reproduktion durch Apomixis konnte für 81% der untersuchten Samen widerlegt werden, da diese genetisch hochvariabel waren. Der Genfluss von außerhalb liegt minimal bei 57%.

20 Literatur Leinemann L., Kahlert K., Arenhövel W., Voth W. and B. Hosius Einblicke in genetische Variationsmuster bei der Gattung Sorbus in Thüringen. Allgemeine Forst- und Jagdzeitung. Allg. Forst- und J.- Zeitung, 9/10, Leinemann L., Hosius B., Kahlert K., Kuchma O., Czernikarz H., Arenhövel W. und K. Helmecke Genmarkeranalysen zur Hybridbildung und natürlichen Vermehrung bei Sorbus latifolia agg. in Thüringen. Allg. Forst- u. J.-Ztg., 184. Jg., 9/10 s Meskes S Genetische Analyse der Hybriden der Sorbus latifolia agg.-gruppe in Thüringen. Masterarbeit, Universität Göttingen, Fakultät für Forstwissenschaft und Waldökologie. 43 S.

21 Vielen Dank!