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Reticulate evolution in glacial refuge areas : the genus Arabidopsis in the eastern Austrian Danube Valley (Wachau)

Schmickl, Roswitha Elisabeth

German Title: Retikulate Evolution in glazialen Refugialgebieten : die Gattung Arabidopsis im ostösterreichischen Donautal (Wachau)

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Abstract

Hybridisierung und Polyploidisierung tragen wesentlich zur Artbildung im Pflanzenreich bei. Innerhalb der Gattung Arabidopsis ist Hybridisierung nur von Arabidopsis suecica aus Fennoskandinavien und Arabidopsis kamchatica aus Japan bekannt. Diese Studie befasst sich mit den Artkomplexen von Arabidopsis lyrata und Arabidopsis arenosa. Unser Ziel war es, herauszufinden, ob und in welchem Ausmaß Hybridisierung an der Artbildung beteiligt war, und ob Polyploidisierung durch Selbstverdopplung des Genoms stattfand. Zudem waren wir an der evolutionären Historie von Di- und Tetraploiden der beiden Artkomplexe interessiert. Wir näherten uns der Lösung dieser Fragestellungen sowohl auf weltweiter Ebene der Gesamtverbreitungsareale beider Artkomplexe als auch auf regionaler Ebene einer mitteleuropäischen Kontaktzone. Im ersten Kapitel „Amphi-beringische, allopolyploide Arabidopsis und die evolutionäre Historie des Arabidopsis lyrata Komplexes“ charakterisierten wir drei genetische Hauptlinien, eine eurasiatische, nordamerikanische und amphi-pazifische, mit den molekularen Markern ntDNA ITS, ntDNA PgiC und cpDNA trnL/F. Allopolyploidisierung zwischen eurasiatischer Arabidopsis lyrata ssp. petraea und ostasiatischer Arabidopsis halleri ssp. gemmifera in der amphi-pazifischen Linie ereignete sich dreimal unabhängig voneinander in Japan, China und Kamtschatka. Wir identifizierten die unvergletscherten Bereiche der ostösterreichischen Alpen und das arktische Eurasien einschließlich Beringias als eiszeitliche Hauptrefugialgebiete der eurasiatischen Linie. Die nordamerikanische Linie überdauerte die Vereisungen im Südosten Nordamerikas. Genfluss zwischen der eurasiatischen und nordamerikanischen Linie fand wahrscheinlich sowohl zwischen den Perioden der Vergletscherung als auch nach der letzten Vereisung statt. Im zweiten Kapitel „Autopolyploidisierung in Arabidopsis und die evolutionäre Historie des Arabidopsis arenosa Komplexes“ fanden wir das Zentrum der Artbildung innerhalb des Arabidopsis arenosa Komplexes auf der Balkanhalbinsel und in den Karpaten mit vorwiegend diploiden neben vereinzelten tetraploiden Populationen. Polyploidisierung erfolgte durch Selbstverdopplung des Genoms. Sowohl die unvergletscherten ostösterreichischen Alpen als auch die Westkarpaten dienten als pleistozäne Refugialgebiete, was anhand des molekularen Markers cpDNA trnL/F ermittelt wurde. Diese beiden Gebirgsstöcke wurden von Arabidopsis arenosa einst unabhängig voneinander von der Balkanhalbinsel aus kolonisiert. Im dritten Kapitel „Retikulate Evolution in eiszeitlichen Refugialgebieten – die Gattung Arabidopsis im ostösterreichischen Donautal (Wachau)“ fanden wir rezente Introgression von Arabidopsis arenosa in Arabidopsis lyrata ssp. petraea in zwei Hybridzonen, eine in der nördlichen Wachau, die andere am Fuße der Ostalpen. In diesen beiden Gebieten liegen die Populationen beider Arten nahe beieinander, was zur Annahme von aktuellem Genfluss zwischen ihnen führte. Die Hybridzone in der nördlichen Wachau wurde sowohl mit molekularen Markern (cpDNA trnL/F Sequenzdaten und sieben Mikrosatelliten) als auch morphologischen Daten charakterisiert. Die Hybridzone am Fuße der Ostalpen wurde mit Hilfe von Mikrosatelliten entdeckt. Tetraploide, besonders von Arabidopsis lyrata ssp. petraea, zeigten stark erhöhte geno- und phänotypische Plastizität im Gegensatz zu Diploiden. Polyploidisierung innerhalb von Arabidopsis arenosa und Arabidopsis lyrata ssp. petraea fand vermutlich durch Selbstverdopplung des Genoms statt.

Translation of abstract (English)

Hybridisation and polyploidisation are two major driving forces for plant speciation. In the genus Arabidopsis hybridisation is reported from Arabidopsis suecica from Fennoscandinavia and Arabidopsis kamchatica from Japan. Within this study we focussed on the species complexes Arabidopsis lyrata and Arabidopsis arenosa. We aimed to clarify, if and to which extent hybridisation contributed to speciation, and if polyploidisation occurred via self-doubling of the genome. Moreover, we were interested in the evolutionary history of both diploids and tetraploids of the two species complexes. We investigated this on both the worldwide scale of their distribution range and the local scale of a Central European contact zone. In the first chapter “An Amphi-Beringian allopolyploid Arabidopsis and the evolutionary history of the Arabidopsis lyrata complex” we characterised three main genetic lineages, Eurasian, North American, and amphi-pacific, with ntDNA ITS, ntDNA PgiC, and cpDNA trnL/F molecular markers. The latter was identified to be of threefold independent allopolyploid origin between Eurasian Arabidopsis lyrata ssp. petraea and East Asian Arabidopsis halleri ssp. gemmifera, in Japan, China, and Kamtchatca. The major glacial refugia of the Eurasian lineage were the unglaciated parts of the Eastern Austrian Alps and arctic Eurasia, including Beringia. The North American lineage survived the glacials in the southeast of North America. Geneflow between the Eurasian and North American lineage probably occurred inter- and postglacially. In the second chapter “Autopolyploid formation in Arabidopsis and the evolutionary history of the Arabidopsis arenosa complex” we unravelled the cradle of speciation within the Arabidopsis arenosa complex on Balkan Peninsula and in the Carpathians with predominantly diploid, but also tetraploid populations. Self-doubling of the genome was found as the common mode of polyploidisation. Both the unglaciated Eastern Austrian Alps and the Western Carpathians served as Pleistocene refugia, revealed with the molecular marker cpDNA trnL/F. These two mountain ranges were formerly colonised independently by Arabidopsis arenosa from Balkan Peninsula. In the third chapter “Reticulate evolution in glacial refuge areas – the genus Arabidopsis in the eastern Austrian Danube Valley (Wachau)” we found ongoing introgression from Arabidopsis arenosa into Arabidopsis lyrata ssp. petraea in two hybrid zones, one in the northern Wachau, the other in the foothills of the Eastern Alps. In both areas the two species are in close geographic contact, which led to the assumption of recent geneflow between them. The hybrid zone in the northern Wachau was supported both by cpDNA trnL/F sequence data, seven ntDNA microsatellite markers, and morphological data. The hybrid zone in the foothills of the Eastern Alps was detected with ntDNA microsatellite markers. Tetraploids, especially of Arabidopsis lyrata ssp. petraea, showed strongly increased geno- and phenotypic plasticity over diploids. Autopolyploidisation probably was the common mode of polyploidisation within both Arabidopsis arenosa and Arabidopsis lyrata ssp. petraea.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Koch, Prof. Dr. Marcus
Date of thesis defense: 14. December 2009
Date Deposited: 20. Jan 2010 09:11
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 580 Botanical sciences
Controlled Keywords: Schmalwand (Arabidopsis), Polyploidisierung, Hybridisierung (Biologie), Populationsbiologie, Pleistozän
Uncontrolled Keywords: Arabidopsis , Polyploidisation , Hybridisation , Population genetics , Pleistocene
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