Authors:	Westberg, Erik Daniel
Title:	European phylogeography of the coastal plants Cakile maritima Scop. (Brassicaceae) and Eryngium maritimum L. (Apiaceae)
Online publication date:	19-Jul-2005
Year of first publication:	2005
Language:	english
Abstract:	Linear dispersal systems, such as coastal habitats, are well suited for phylogeographic studies because of their low spatial complexity compared to three dimensional habitats. Widely distributed coastal plant species additionally show azonal and often essentially continuous distributions. These properties, firstly, make it easier to reconstruct historical distributions of coastal plants and, secondly, make it more likely that present distributions contain both Quaternary refugia and recently colonized areas. Taken together this makes it easier to formulate phylogeographic hypotheses. This work investigated the phylogeography of Cakile maritima and Eryngium maritimum, two species growing in sandy habitats along the north Atlantic Ocean and the Mediterranean Sea coasts on two different spatial scales using AFLP data. The genetic structure of these species was investigated by sampling single individuals along most of their distributions from Turkey to south Sweden. On a regional scale the population genetic structure of both species was also studied in detail in the Bosporus and Dardanelles straits, the Strait of Gibraltar and along a continuous stretch of dunes in western France. Additionally, populations of C. maritima were investigated in the Baltic Sea/Kattegat/North Sea area. Over the complete sampling range the species show both differences and similarities in their genetic structure. In the Mediterranean Sea, both species contain Aegean Sea/Black Sea and west Mediterranean clusters. Cakile maritima additionally shows a clustering of Ionian Sea/Adriatic Sea collections. Further, both species show a subdivision of Atlantic Ocean/North Sea/Baltic Sea material from Mediterranean. Within the Atlantic Ocean group, C. maritima from the Baltic Sea and the most northern Atlantic localities form an additional cluster while no such substructure was found in E. maritimum. In all three instances where population genetic investigations of both species were performed in the same area, the results showed almost complete congruency of spatial genetic patterns. In the Aegean/Black Sea/Marmara region a subdivision of populations into a Black Sea, a Sea of Marmara and an Aegean Sea group is shared by both species. In addition the Sea of Marmara populations are more close to the Aegean Sea populations than they are to the Black Sea populations in both cases. Populations from the Atlantic side of the Strait of Gibraltar are differentiated from those on the Mediterranean side in both species, a pattern that confirms the results of the wide scale study. Along the dunes of West France no clear genetic structure could be detected in any of the species. Additionally, the results from the Baltic Sea/North Sea populations of C. maritima did not reveal any geographical genetic pattern. It is postulated that the many congruencies between the species are mainly due to a predominantly sea water mediated seed dispersal in both species and their shared sandy habitat. The results are compared to hypothetical distributions for the last glacial maximum based on species specific temperature requirements. It is argued that in both species the geographical borders of the clusters in the Mediterranean area were not affected by quaternary temperature changes and that the Aegean/Black Sea/Marmara cluster, and possibly the Ionian Sea/Adriatic Sea cluster in C. maritima, is the result of sea currents that isolate these basins from the rest of the sampled areas. The genetic gap in the Strait of Gibraltar between Atlantic Ocean and Mediterranean Sea populations in both species is also explained in terms of sea currents. The existence of three subgroups corresponding to the Aegean Sea, Black Sea and Sea of Marmara basins is suggested to have arisen due to geographical isolation during periods of global sea regressions in the glacials. The population genetic evidence was inconclusive regarding the Baltic Sea cluster of C. Maritima from the wide scale study. The results of this study are very similar to those of an investigation of three other coastal plant species over a similar range. This suggests that the phylo-geographic patterns of widespread coastal plants may be more predictable than those of other terrestrial plants. Lineare Verbreitungssysteme wie Küstenstandorte sind für phylogeographische Untersuchungen aufgrund ihrer geringen räumlichen Komplexität im Vergleich zu dreidimensionalen Standorten gut geeignet. Weit verbreitete Arten von Küsten-pflanzen zeigen zudem azonale und oft kontinuierliche Verbreitungen. Diese Eigenschaften machen es zum einen einfacher, historische Verbreitungen von Küstenpflanzen zu rekonstruieren und zum anderen auch wahrscheinlicher, dass rezente Verbreitungen sowohl quartäre als auch vor kurzer Zeit besiedelte Gebiete einschließen. Vor diesem Hintergrund wird die Formulierung phylogeographischer Hypothesen erleichtert. In dieser Arbeit wurde die Phylogeographie von Cakile maritima und Eryngium maritimum, die beide an sandigen Standorten entlang des Nordatlantiks und des Mittelmeeres vorkommen, mittels AFLP Daten auf zwei verschiedenen räumlichen Maßstäben untersucht. Die genetische Struktur der Arten im großen Maßstab wurde ermittelt, indem einzelne Individuen entlang eines Großteils des europäischen Verbreitungsgebietes gesammelt wurden. Zusätzlich wurde die populations-genetische Struktur beider Arten in den Meerengen des Bosporus, der Dardanellen, der Straße von Gibraltar sowie entlang eines zusammenhängenden Dünengebietes in Westfrankreich detailliert untersucht. Außerdem wurden Populationen von C. maritima in der Region Ostsee/Nordsee näher erkundet. Die Arten zeigen in der europaweit untersuchten genetischen Struktur sowohl Ähnlichkeiten als auch Unterschiede. Im Mittelmeer findet man in beiden Arten Gruppierungen in den Regionen Ägäis/Schwarzes Meer sowie im westlichen Mittelmeer. Cakile maritima zeigt zusätzlich eine Gruppierung im Gebiet Ionisches Meer/Adria. Beide Arten zeigen eine Trennung der Proben der Atlantik/Nord-see/Ostsee Gruppierung von denen des Mittelmeeres. Am Atlantischen Ozean gruppieren Proben von C. maritima mit den am weitesten nördlich gelegenen Standorten, während bei E. maritimum keine solche Substrukturierung beobachtet werden konnte. In allen drei Beispielen, in denen populationsgenetische Untersuchungen beider Arten im gleichen Gebiet durchgeführt wurden, zeigten die Ergebnisse eine nahezu vollständige Übereinstimmung der räumlich genetischen Muster. Im Gebiet Ägäis/Schwarzes Meer/ Marmarameer tritt in beiden Arten eine Unterteilung der Populationen in je eine Gruppe im Schwarzen Meer, Marmarameer und der Ägäis auf. Zudem sind die Populationen des Marmarameeres in beiden Fällen mehr von denen des Schwarzen Meer differenziert als von denen der Ägäis. Die Populationen der atlantischen Seite der Straße von Gibraltar sind in beiden Arten von denen der Mittelmeerseite abgegrenzt, ein Muster, das die Ergebnisse der europaweiten Untersuchung bestätigt. Entlang der westfranzösischen Küste konnte bei keiner der untersuchten Arten eine klare genetische Strukturierung festgestellt werden. Die Ergebnisse von C. maritima in der Region Ostsee/Nordsee zeigten ebenfalls kein geographisch gegliedertes genetisches Muster. Es wird postuliert, dass die großen Übereinstimmungen zwischen den Arten vor allem auf eine vorwiegende Verbreitung der Samen durch das Meerwasser sowie das Vorkommen beider Arten auf sandigen Standorte Standort zurückzuführen sind. Diese Ergebnisse werden mit hypothetischen Verbreitungen während der letzten Eiszeit verglichen, die auf artspezifischer Temperaturanforderungen basieren. Wahrscheinlich war in beiden Arten die geographischen Grenzen der Gruppierungen im Mittelmeer nicht durch quartäre Temperaturänderungen beeinflusst worden sondern die Gruppierungen in der Region Ägäis/Schwarzes Meer/Marmarameer, und möglicherweise ebenso die der Region Ionisches Meer/Adria bei C. maritima, ein Ergebnis von Meeresströmungen sind, die diese Becken von den restlichen besammelten Gebieten abgrenzen. Die genetische Kluft in der Straße von Gibraltar wird ebenfalls vornehmlich mit Meeresströmungen erklärt. Die Existenz der drei Untergruppen Ägäis, Schwarzes Meer und Marmarameer ist vermutlich aufgrund der geographischen Isolation in Perioden globaler Meeresspiegelsenkungen während der Eiszeiten entstanden. Die Beweise bezüglich der Gruppierungen in der Ostsee waren in der europaweiten Untersuchung nicht aussagekräftig. Die europaweiten Ergebnisse dieser Untersuchung sind denen einer Studie zu drei anderen Küstenarten sehr ähnlich. Dies lässt vermuten, dass sich phylo-geographische Muster weit verbreiteter Küstenpflanzen leichter vorhersagen lassen als die terrestrischer Pflanzen.
DDC:	580 Pflanzen (Botanik) 580 Botanical sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3830
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-7866
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen