Evolutionary tendencies in African Marantaceae

Abstract

Die Marantaceae (550 Arten) sind eine weltweit verbreitete Familie von Stauden und Lianen aus dem Unterwuchs tropischer Tieflandregenwälder. Der morphologisch-ökologische Vergleich des basal abzweigenden Sarcophrynium-Astes mit dem in abgeleiteter Position stehenden Marantochloa-Ast, soll beispielhaft evolutionäre Muster in der Familie beleuchten. So wird in der Doktorarbeit zum ersten Mal ein Überblick über die Blütenbiologie und Phylogenie von rund 30 der 40 afrikanischen Marantaceae Arten präsentiert. Die Analysen basieren auf Daten von drei mehrmonatigen Feldaufenthalten in Gabun jeweils zwischen September und Januar. Vier Blütentypen werden beschrieben, die jeweils mit einer spezifischen Bestäubergilde verbunden sind (kleine, mittlere, große Bienen bzw. Vögel). Bestäubungsexperimente belegen, dass 18 Arten selbstkompatibel, aber nur zwei Arten autogam sind, also keine Bestäubungsvermittler benötigen. Der Fruchtansatz ist generell gering (10 -30 %). Die komplexe Synorganisation der Blüte ermöglicht in den Marantaceae einen explosiven Bestäubungsmechanismus. Um dessen ökologische Funktionalität zu verstehen, werden die Blüten von 66 Arten, alle wichtigen Äste der Marantaceae abdeckend, unter einem morphologisch-funktionalen Gesichtspunkt untersucht. Es gibt große Übereinstimmungen zwischen allen untersuchten Arten im Zusammenspiel (Synorganisation) der wichtigsten Bauelemente (Griffel, Kapuzenblatt, Schwielenblatt), die eine präzise Pollenübertragung ermöglichen. Basierend auf Daten von nrDNA (ITS, 5S) und cpDNA (trnL-F) wird für ein nahezu komplettes Artenspektrum die Phylogenie der zwei afrikanischen Äste erstellt. Hierauf werden morphologische und ökologische Merkmale sowie geographischer Verbreitungsmuster nach dem Parsimonieprinzip rekonstruiert, um so deren evolutionäre Bedeutung für die Marantaceae abschätzen zu können. Die Ergebnisse weisen auf die Beteiligung einer Vielzahl verschiedener Artbildungsfaktoren hin.

The Marantaceae (550 species) are a world wide distributed family of perennial herbs and lianas from the understory of tropical lowland forests. A comparison between the basal branching Sarcophrynium-clade and the derived Marantochloa-clade based on morphological and ecological data should exemplarily elucidate evolutionary tendencies in the family. Thus this PhD study gives for the first time an overview over the floral biology and phylogeny of about 30 of the 40 known African Marantaceae species. The analyses are based on data from three field trips to Gabon each taking several months between September and January. Four floral types are described, which are each associated with a specific pollination guild (small, medium and large sized bees, birds). Pollination experiments prove that 18 species are self-compatible, but only two species are autogamous, thus are independent of pollinators. Fruit set is generally low (10 – 30 %). The complex synorganisation of the flower facilitates an explosive pollination mechanism. In order to understand its ecological functionality flowers, from 66 species representing all mayor phylogenetic clades of the Marantaceae, were analysed under a functional morphological view. There is a high correspondence between all analysed species in the synorganisation of the most important floral parts (style, hooded staminode, fleshy staminode), which enable a precise pollen transfer. Based on data from nrDNA (ITS, 5S) and cpDNA (trnLF) and a nearly complete taxon sampling the phylogeny of the two African clades is reconstructed. Morphological and ecological traits and geographic distribution patterns are parsimoniously reconstructed onto the latter in order to evaluate their evolutionary significance. The results hint to the involvement of a number of different speciation factors.