Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2315
Authors: Berens, Dana
Title: Genetic dynamics across early life stages in the tropical tree Prunus africana (Rosaceae)
Online publication date: 18-Jan-2011
Language: english
Abstract: In many plant species, the genetic template of early life-stages is formed by animal-mediated pollination and seed dispersal and has profound impact on further recruitment and population dynamics. Understanding the impact of pollination and seed dispersal on genetic patterns is a central issue in plant population biology. In my thesis, I investigated (i) contemporary dispersal and gene flow distances as well as (ii) genetic diversity and spatial genetic structure (SGS) across subsequent recruitment stages in a population of the animal-pollinated and dispersed tree Prunus africana in Kakamega Forest, West Kenya. Using microsatellite markers and parentage analyses, I inferred distances of pollen dispersal (father-to-mother), seed dispersal/maternal gene flow (mother-to-offspring) as well as paternal gene flow (father-to-offspring) for four early life stages of the species (seeds and fruits, current year seedlings, seedlings ≤ 3yr, seedlings > 3yr). Distances of pollen and seed dispersal as well as paternal gene flow were significantly shorter than expected from the spatial arrangement of trees and sampling plots. They were not affected by the density of conspecific trees in the surrounding. At the propagule stage, mean pollen dispersal distances were considerably (23-fold) longer than seed dispersal distances, and paternal gene flow distances exceeded maternal gene flow by a factor of 25. Seed dispersal distances were remarkably restricted, potentially leading to a strong initial SGS. The initial genetic template created by pollination and seed dispersal was extensively altered during later recruitment stages. Potential Janzen-Connell effects led to markedly increasing distances between offspring and both parental trees in older life stages. This showed that distance and density-dependent mortality factors are not exclusively related to the mother tree, but also to the father. Across subsequent recruitment stages, the pollen to seed dispersal ratio and the paternal to maternal gene flow ratio dropped to 2.1 and 3.4, respectively, in seedlings > 3yr. The relative changes in effective pollen dispersal, seed dispersal, and paternal gene flow distances across recruitment stages elucidate the mechanisms affecting the contribution of the two processes pollen and seed dispersal to overall gene flow. Using the same six microsatellite loci, I analyzed genetic diversity and SGS across five life stages, from seed rain to adults. Levels of genetic diversity within the studied P. africana population were comparable to other Prunus species and did not vary across life stages. In congruence with the short seed dispersal distances, I found significant SGS in all life stages. SGS decreased from seed and early seedling stages to older juvenile stages, and it was higher in adults than in late juveniles of the next generation. A comparison of the data with direct assessments of contemporary gene flow patterns indicate that distance- or density-dependent mortality, potentially due to Janzen-Connell effects, led to the initial decrease in SGS. Intergeneration variation in SGS could have been driven by variation in demographic processes, the effect of overlapping generations, and local selection processes. Overall, my study showed that complex sequential processes during recruitment contribute to the spatial genetic structure of tree populations. It highlights the importance of a multistage perspective for a comprehensive understanding of the impact of animal-mediated pollen and seed dispersal on spatial population dynamics and genetic patterns of trees.
Die genetische Struktur früher Altersstadien wird in vielen Pflanzenarten von Bestäubung und Samenausbreitung durch Tiere geprägt. Dies hat bedeutende Konsequenzen für weitere Regenerationsprozesse und die Dynamik von Pflanzenpopulationen. In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich i) Ausbreitungs- und Genflussdistanzen sowie ii) genetische Diversität und räumliche genetische Struktur verschiedener aufeinanderfolgender Altersstadien in einer Population der tierbestäubten und –ausgebreiteten Baumart Prunus africana im Kakamega Forest, Westkenia. Mit Hilfe von Mikrosatelliten- und Vaterschaftsanalysen leitete ich Pollenausbreitungsdistanzen (Mutterbaum zu Vaterbaum), Samenausbreitungs-/maternale Genflussdistanzen (Mutterbaum zu Nachkomme) sowie paternale Genflussdistanzen (Vaterbaum zu Nachkomme) für vier verschiedene Altersstadien (Samen, junge Keimlinge, Schösslinge ≤ 3 Jahre, Schösslinge > 3 Jahre) ab. Pollen- und Samenausbreitungsdistanzen sowie paternale Genflussdistanzen waren signifikant kürzer als gemäß der räumlichen Anordnung der Bäume und Fallen erwartet. Dabei hatte die Dichte an P. africana-Bäumen in der Umgebung keinen Einfluss auf die Ausbreitungsdistanzen. Auf der Ebene der Samen waren die mittleren Pollenausbreitungsdistanzen deutlich (23fach) länger als die Samenausbreitungsdistanzen, und paternaler Genfluss erfolgte über 25fach größere Distanzen als maternaler Genfluss. Die zunächst durch Bestäubung und Samenausbreitung hervorgerufenen genetischen Muster veränderten sich erheblich im Verlaufe des weiteren Regenerationsprozesses. Potenzielle Janzen-Connell-Effekte führten in älteren Stadien zu zunehmenden Distanzen sowohl zwischen Nachkommen und Mutterbaum als auch zwischen Nachkommen und Vaterbaum. Dies zeigte, dass distanz- und dichteabhängige Mortalität nicht ausschließlich in der Nähe der Mutter, sondern auch in der Nähe des Vaterbaumes erhöht ist. Über aufeinanderfolgende Altersstadien hinweg nahm das Verhältnis von Pollen- zu Samenausbreitungsdistanz bis zu Faktor 2.1 für Schösslinge > 3 Jahre ab. Dasselbe galt für das Verhältnis von paternalem zu maternalem Genfluss, welches bis zu Faktor 3.4 abnahm. Die Verschiebungen in Pollenausbreitungs-, Samenausbreitungs- und Genflussdistanzen zeigen, wie sich der Beitrag der Prozesse zu Genflussmustern im Verlaufe der Regeneration verändert. Die genetische Diversität und räumliche genetische Struktur der Population untersuchte ich mit Hilfe derselben sechs Mikrosatelliten-Loci. Die genetische Diversität in der P. africana Population war vergleichbar mit der anderer Prunus-Arten und variierte nicht zwischen den Altersstadien. Ich fand für alle Altersstadien signifikante räumliche genetische Struktur. Die räumliche genetische Struktur nahm vom Samen- und jungen Keimlingsstadium zu den Schösslingen hin ab, und nahm von den Schösslingen zu den Adultbäumen wieder zu. Ein Vergleich der Daten mit den direkten Abschätzungen der Genflussdistanzen durch Vaterschaftsanalysen ergab, dass distanz- oder dichteabhängige Mortalität, vermutlich aufgrund von Janzen-Connell-Effekten, zu der anfänglichen Abnahme der genetischen Struktur führte. Die Zunahme der räumlichen genetischen Struktur zwischen den Generationen könnte durch Variabilität demographischer Prozesse, überlappende Generationen oder lokale Selektionsprozesse hervorgerufen worden sein. Insgesamt zeigte meine Studie, dass komplexe Prozesse während der Regeneration zu der Formierung genetischer Struktur von Baumpopulationen führen. Außerdem machen die Ergebnisse deutlich, dass eine Analyse verschiedener Altersstadien unerlässlich ist, um die Auswirkungen von durch Tiere vermittelter Bestäubung und Samenausbreitung auf räumliche Populationsdynamiken und genetische Muster von Baumarten zu erfassen.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2315
URN: urn:nbn:de:hebis:77-25545
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 72 S.
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