Influence of pollination and seed dispersal on the genetic population structure of two Commiphora species in Madagascar and South Africa

Abstract

Pollination and seed dispersal are important ecological processes for the regeneration of plant populations and both vectors for gene exchange between plant populations. For my thesis, I studied the pollination ecology of the South African tree Commiphora harveyi (Burseraceae) and compared it with C. guillauminii from Madagascar. Both species have low visitation rates and a low number of pollinating insect species, resulting in a low fruit set. While their pollination ecology is very similar, they differ in their seed dispersal with a low seed dispersal rate in the Malagasy and a high seed dispersal rate in the South African species. This should be reflected in a stronger genetic differentiation among populations in the Malagasy than in the South African species. My results, based on AFLP markers, contradict these expectations, the overall differentiation was lower in the Malagasy (FST = 0.05) than in the South African species (FST = 0.16). However, at a smaller spatial scale (below 3 km), the Malagasy species was genetically more strongly differentiated than the South African species, which was reflected by the high inter-population variance within the sample site (C. guillauminii: 72.2 - 85.5 %; C. harveyi: 8.4 - 14.5 %). This strong differentiation could arise from limited gene flow, which was confirmed by spatial autocorrelation analyses. The shape of the autocorrelogram suggested that gene exchange between individuals occurred only up to 3 km in the Malagasy species, whereas up to 30 km in the South African species. These results on the genetic structure correspond to the expectations based on seed dispersal data. Thus, seed dispersal seems to be a key factor for the genetic structure in plant populations on a local scale.

Bestäubung und Samenausbreitung sind wichtige ökologische Prozesse für den Erhalt von Pflanzenpopulationen und beides Vektoren für Genfluss innerhalb und zwischen Pflanzenpopulationen. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich die Bestäubungsbiologie der südafrikanischen Art Commiphora harveyi (Burseraceae) untersucht und mit C. guillauminii aus Madagaskar verglichen. Beide Arten haben eine niedrige Blüten-Besuchsrate, ihre Blüten werden nur von wenigen Insektenarten besucht und bestäubt, was zu einem geringen Fruchtansatz führt. Im Gegensatz zur Bestäubungsbiologie, unterscheidet sich die Samenausbreitung der beiden Arten grundlegend mit einer niedrigen Samenausbreitungsrate in der madagassischen und einer hohen Samenausbreitungsrate in der südafrikanischen Art. Dies könnte sich in einer niedrigeren genetischen Differenzierung in der madagassischen als in der südafrikanischen Art zeigen. AFLP-Analysen von 136 C. guillauminii-Bäumen und 158 C. harveyi-Bäumen widersprachen diesen Erwartungen auf dem ersten Blick, da die allgemeine Differenzierung in der madagassischen (FST = 0.05) niedriger als in der südafrikanischen Art (FST = 0.16) war. Kleinräumig (unter 3 km) ist die madagassische Art jedoch sehr viel stärker differenziert als die südafrikanische, welches sich in einem hohen Anteil genetischer Differenzierung zwischen den Populationen innerhalb einer Sammelstelle zeigte (C. guillauminii: 72.2-85-5%; C. harveyi: 8.4-14.5%). Diese starke lokale Differenzierung könnte durch begrenzten Genfluss innerhalb der Art entstanden sein, was durch zusätzliche räumliche Autokorrelations-Analysen der genetischen Daten bestätigt wurde. Die Kurve des Autokorellograms zeigte, dass die madagassischen Individuen nur bis zu einer Distanzklasse von 3 km miteinander verwandt waren, während die südafrikanischen Individuen sich noch bis zu einer Distanz von 30 km genetisch austauschten. Diese Ergebnisse zeigen eine genetische Populationsstruktur, die ich auf Grund der Felddaten zur Samenausbreitung erwarten würde. Samenausbreitung scheint ein Schlüsselfaktor für die genetische Populationsstruktur auf lokalem Maßstab zu sein.