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Evolutionary patterns and processes in the genus Potentilla L. (Rosaceae)

Paule, Juraj

German Title: Evolutionäre Muster und Prozesse in der Gattung Potentilla L. (Rosaceae)

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Abstract

Firstly, a reconstruction of phylogenetic relationships based on three chloroplast (cp) DNA markers comprising 98 species of the genus Potentilla and 15 additional genera from the tribe Potentilleae (Rosaceae) is presented. The phylogeny supported the current generic concept of two subtribes (Fragariinae and Potentillinae), and resolved major lineages within the subtribe Potentillinae, comprising also taxonomically highly diverse but molecularly little diverged core group of Potentilla. Age estimates of phylogenetic splits resolved in the Potentilleae using Bayesian inference, suggested a diversification of the tribe in the Eocene and radiation of two major evolutionary lineages (subtribes) at approximately comparable times. Ancestral area reconstructions based on the recent distribution ranges suggested an Asian origin for Potentilla s.str., and explained its arrival in Europe and particularly in North America by multiple dispersal events. The combination of the phylogenetic, geographic and fossil record data with inferred time estimates and taxonomy revealed strongly contrasting evolutionary patterns: rapid speciation on a continental and worldwide scale accompanied by multiple intercontinental dispersals opposing to the largely diverged lineages of limited taxonomic diversity and vicariant geographic distribution. Furthermore, hybridisation and polyploidisation as drivers of speciation were identified in two case studies of restricted taxonomical and geographical coverage. Combined analysis of AFLPs, cpDNA sequences and ploidy levels, used in a case study of P. argentea group in Europe, identified four main lineages within the Potentilla argentea group, revealing two ploidy levels. Allopolyploid origin was confirmed for the hexaploid P. argentea, which apears to be apomictic. The diploid P. argentea is a self‐pollinator with a highly reduced genetic variability and P. calabra is reproducing sexually. A Late Quaternary migration route from Iberian Peninsula throughout the western Europe to Scandinavia and probably also farther to the Baltic region was suggested for the diploid P. argentea and no clear geographical patterns were detected for the hexaploid P. argentea, most probably due to independent immigration of genetically divergent lineages, which resulted in an overlap of several immigration routes. Finally, P. alpicola and P. collina populations in the South Tyrol were examined. On one hand, P. argentea and P. pusilla have been identified as parental taxa for the apomictic P. alpicola. On the other hand, apomictic P. collina populations are regarded rather as recent derivatives of the hexaploid P. argentea. Studied populations seem to evolve multiply, at each locality separately, however some populations share similar evolutionary history.

Translation of abstract (German)

Die Rekonstruktion der phylogenetischen Verhältnissen, basierend auf drei Chloroplast-DNA-Marker (cpDNA), von 98 Arten der Gattung Potentilla und 15 weiteren Gattungen aus dem Tribus Potentilleae (Rosaceae) wird vorgestellt. Die Phylogenie unterstützt die aktuelle Tribus-Teilung in zwei Subtriben (Fragariinae und Potentillinae) und definiert mehrere Linien innerhalb des Subtribus Potentillinae, einschließlich der taxonomisch sehr unterschiedlichen, aber molekular wenig differenzierten Potentilla-Kerngruppe. Die Altersschätzungen der phylogenetischen Spaltungen wurden in den Potentilleae mit Hilfe der Bayesischen Inferenz gelöst und schlugen eine Diversifizierung des Stammes im Eozän und Radiation von zwei großen evolutionären Linien (Subtriben) zu ungefähr gleicher Zeit vor. Die Rekonstruktionen der historischen Verbreitung anhand bisheriger Verbreitungsgebiete schlugen asiatische Herkunft für Potentilla s.str. vor und erklärten ihre Ankunft in Europa und insbesondere in Nordamerika durch mehrere Einwanderungsereignisse. Die Kombination von phylogenetischen, geographischen und Fossilien-Daten zusammen mit Altersabschätzungen und Taxonomie zeigten stark kontrastierende Entwicklungsmuster: einerseits schnelle Artbildung auf kontinentaler und weltweiter Ebene, begleitet von mehreren interkontinentalen Ausbreitungen, andererseits getrennte Linien von begrenzter taxonomischer Vielfalt mit vikariierender geographischer Verbreitung. Weiterhin wurden Hybridisierung und Polyploidisierung als wichtige Prozesse der Artbildung in zwei Fallstudien von beschränkter taxonomischer und geographischer Abdeckung identifiziert. Kombinierte Analysen von AFLPs, cpDNA Sequenzen und Ploidie wurden in einer Fallstudie der P. argentea-Gruppe in Europa verwendet. Es wurden vier Hauptlinien innerhalb der Potentilla argentea-Gruppe identifiziert, die zwei Ploidiestufen zeigten. Die allopolyploide Herkunft wurde für die hexaploide P. argentea bestätigt, welche eine apomiktische Vermehrung aufweist. Die diploide P. argentea ist höchstwahrscheinlich ein Selbstbestäuber mit einer stark reduzierten genetischen Variabilität, und P. calabra vermehrt sich sexuell auskreuzend. Eine spätquartäre Wanderungsroute, ausgehend von der Iberischen Halbinsel, nach Westeuropa, Skandinavien und wahrscheinlich auch weiter in die Baltische Region wurde für die diploide P. argentea vorgeschlagen. Im Gegensatz dazu konnten keine klaren geografischen Muster für die hexaploide P. argentea identifiziert werden, höchstwahrscheinlich aufgrund der unabhängigen Zuwanderung von genetisch unterschiedlichen Abstammungslinien, die in eine Überlappung von mehreren Einwanderungsrouten führten. Schließlich wurden P. alpicola- und P. collina-Populationen aus Südtirol untersucht. Einerseits wurden P. argentea und P. pusilla als Eltern für die apomiktische P. alpicola identifiziert. Auf der anderen Seite können die apomiktischen P. collina Populationen eher als Abkömmlinge der bisherigen hexaploiden P. argentea betrachtet werden. Die Populationen scheinen sich an jedem Ort getrennt entwickelt zu haben. Trotzdem teilen einige Populationen ähnliche Evolutionsgeschichte.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Koch, Prof. Dr. Marcus A.
Date of thesis defense: 23. July 2010
Date Deposited: 17. Aug 2010 13:59
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Rosaceae , Potentilla , phylogeny , polyploidisation , hybridisation , AFLP , cpDNA , flow-cytometry
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