Modelling dispersal in plants

Dispersal is an essential process in plant survival because it allows plants as static organism to move. Plant dispersal is necessary to avoid unsuitable conditions and to colonise new sites. Additionally gene flow between populations reduces possible genetic threads as inbreeding depression. Geneti...

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1. Verfasser: Niggemann, Marc
Beteiligte: Ziegenhagen, Birgit (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2010
Biologie
Schlagworte:
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topic Modell
Biowissenschaften, Biologie
Ausbreitung
Pflanzen
simulation
Verbreitung
Simulation
model
plants
Dispersal
spellingShingle Modell
Biowissenschaften, Biologie
Ausbreitung
Pflanzen
simulation
Verbreitung
Simulation
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plants
Dispersal
Modelling dispersal in plants
Ausbreitung ist ein entscheidender Prozess beim Überleben von Pflanzen, denn er ermöglicht Pflanzen als sessilen Organismen sich fortzubewegen. Ausbreitung ist sowohl zur Vermeidung von schlechten Bedingungen als auch zur Neubesiedlung von Flächen notwendig. Außerdem reduziert ein genetischer Austausch zwischen Populationen mögliche genetische Bedrohungen wie z.B. Inzuchtdepression. Die häufigsten Ausbreitungsvektoren bei Pflanzen sind Tiere und Wind. In vom Menschen dominierten Landschaften jedoch können Menschen die tierische Verbreitung ersetzen. Um die Bedeutung des Menschen auf die Pflanzenverbreitung zu untersuchen wurde ein Simulationsmodell erstellt. Der Effekt der menschlichen Bewegung und Gartenstile wurde für verschiedene ruderale Pflanzen getestet. Ich fand einen starken Einfluss des menschlichen Bewegungsverhaltens besonders bei nicht-einheimischen Arten heraus. Innerhalb von 20 Jahren vergrößerten diese Arten ihre Verbreitung, wobei sie von der ansteigenden Mobilität der Menschen profitierten, die in soziologischen Untersuchungen nachgewiesen worden war. Im Gegensatz dazu schienen einheimische Arten stärker auf den Wechsel der bäuerlichen Landschaft und von einem ländlichem zu einem städtischen Lebensstil zu reagieren. Allerdings konnte die Veränderung in der Artverbreitung in allen Fällen besser mittels einer menschlichen Ausbreitung basierend auf menschlichen Bewegungsverhalten simuliert werden als durch ein distanzabhängiges Diffusionsmodell. Eine weitere Herangehensweise zur Nutzung von Simulationsmodellen bei Ausbreitungsprozessen wurde anhand der windbestäubten, in der Weichholzaue von Flüssen vorkommenden Art Populus nigra in Mitteldeutschland durchgeführt. Das Ziel der Untersuchung war es, das Ausmaß von innerartlichem Pollenvermittelten Genfluß durch den Schwarzpappelhybriden P. x canadensis abzuschätzen. Daher war die Abschätzung eines passenden Ausbreitungskernel entscheidend für die Modellierung der Ausbreitung. Genetische Vaterschaftsanalysen ermöglichen die Berechnung von Ausbreitungsdistanzen des Pollens zwischen Vater- und Mutterbäumen. Ich habe Punktmusteranalysen benutzt um Ausbreitungskernel anzupassen und deren statistische Unsicherheit zu testen. Es gab nur bis zu einer Distanz von 300m eine signifikante Abweichung vom Paarungs-Nullmodell, obwohl es sich um eine windbestäubte Art handelt und die Analysen auf einem sehr großen Datensatz von mehr als 1.500 Samen beruhten. Ein Zwei-Komponenten-Ausbreitungskernel aus einer exponential-power Funktion und einer eingeschränkten Gleichverteilungsfunktion bildete das am besten angepasste Model zu den Daten. Der angepasste Kernel konnte die Anzahl von Samen, die von einem männlichen Baum bestäubt wurden, abschätzen und lieferte vergleichbare Ergebnisse wie veröffentlichte räumlich statistische Modelle. Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass Ausbreitungskernel, die auf einer direkten Anpassung an die beobachteten Paarungsdistanzen beruhen, stark von Ergebnissen abweichen, die durch Methoden erzielt wurden, die die räumliche Struktur von Altbäumen berücksichtigen. Die Unsicherheit in der Abschätzung solcher direkt angepasster Ausbreitungskernel scheint unterschätzt zu werden. Mit dem angepassten Ausbreitungskernel wurden Simulationen durchgeführt, um die Diskrepanz zwischen geringer Einkreuzung durch den Hybriden in der natürlichen Schwarzpappelpopulation und der überwältigenden Anzahl dieser Hybride in der direkten Nachbarschaft zu untersuchten. Durch die Verwendung von verschiedenen standardmäßigen Ausbreitungskernel und des angepassten Zwei-Komponenten-Ausbreitungskernel fanden wir heraus, dass die Wahrscheinlichkeit einer Befruchtung durch Hybridpollen 10^-1 bis 10^-2 mal geringer als bei der Schwarzpappel war. Dieser Werteraum konnte über Ergebnisse bestätigt werden, die in Handbestäubungsexperimenten entstanden. Dies ist das erste Mal, dass die reproduktive Barriere zwischen P. nigra und P. x canadensis in frei bestäubten Bäumen in einem natürlichen Bestand gezeigt werden konnte. Die Verwendung von Simulationsmodellen zur Untersuchung von unterschiedlichen Ausbreitungsmechanismen stellte sich als viel versprechend heraus, nicht nur zur Beschreibung des Ausbreitungsprozesses selbst, sondern auch hinsichtlich der Kombination von Expertenwissen aus den verschiedensten Fachrichtungen in einem ökologischen Modell.
Niggemann, Marc
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contents Ausbreitung ist ein entscheidender Prozess beim Überleben von Pflanzen, denn er ermöglicht Pflanzen als sessilen Organismen sich fortzubewegen. Ausbreitung ist sowohl zur Vermeidung von schlechten Bedingungen als auch zur Neubesiedlung von Flächen notwendig. Außerdem reduziert ein genetischer Austausch zwischen Populationen mögliche genetische Bedrohungen wie z.B. Inzuchtdepression. Die häufigsten Ausbreitungsvektoren bei Pflanzen sind Tiere und Wind. In vom Menschen dominierten Landschaften jedoch können Menschen die tierische Verbreitung ersetzen. Um die Bedeutung des Menschen auf die Pflanzenverbreitung zu untersuchen wurde ein Simulationsmodell erstellt. Der Effekt der menschlichen Bewegung und Gartenstile wurde für verschiedene ruderale Pflanzen getestet. Ich fand einen starken Einfluss des menschlichen Bewegungsverhaltens besonders bei nicht-einheimischen Arten heraus. Innerhalb von 20 Jahren vergrößerten diese Arten ihre Verbreitung, wobei sie von der ansteigenden Mobilität der Menschen profitierten, die in soziologischen Untersuchungen nachgewiesen worden war. Im Gegensatz dazu schienen einheimische Arten stärker auf den Wechsel der bäuerlichen Landschaft und von einem ländlichem zu einem städtischen Lebensstil zu reagieren. Allerdings konnte die Veränderung in der Artverbreitung in allen Fällen besser mittels einer menschlichen Ausbreitung basierend auf menschlichen Bewegungsverhalten simuliert werden als durch ein distanzabhängiges Diffusionsmodell. Eine weitere Herangehensweise zur Nutzung von Simulationsmodellen bei Ausbreitungsprozessen wurde anhand der windbestäubten, in der Weichholzaue von Flüssen vorkommenden Art Populus nigra in Mitteldeutschland durchgeführt. Das Ziel der Untersuchung war es, das Ausmaß von innerartlichem Pollenvermittelten Genfluß durch den Schwarzpappelhybriden P. x canadensis abzuschätzen. Daher war die Abschätzung eines passenden Ausbreitungskernel entscheidend für die Modellierung der Ausbreitung. Genetische Vaterschaftsanalysen ermöglichen die Berechnung von Ausbreitungsdistanzen des Pollens zwischen Vater- und Mutterbäumen. Ich habe Punktmusteranalysen benutzt um Ausbreitungskernel anzupassen und deren statistische Unsicherheit zu testen. Es gab nur bis zu einer Distanz von 300m eine signifikante Abweichung vom Paarungs-Nullmodell, obwohl es sich um eine windbestäubte Art handelt und die Analysen auf einem sehr großen Datensatz von mehr als 1.500 Samen beruhten. Ein Zwei-Komponenten-Ausbreitungskernel aus einer exponential-power Funktion und einer eingeschränkten Gleichverteilungsfunktion bildete das am besten angepasste Model zu den Daten. Der angepasste Kernel konnte die Anzahl von Samen, die von einem männlichen Baum bestäubt wurden, abschätzen und lieferte vergleichbare Ergebnisse wie veröffentlichte räumlich statistische Modelle. Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass Ausbreitungskernel, die auf einer direkten Anpassung an die beobachteten Paarungsdistanzen beruhen, stark von Ergebnissen abweichen, die durch Methoden erzielt wurden, die die räumliche Struktur von Altbäumen berücksichtigen. Die Unsicherheit in der Abschätzung solcher direkt angepasster Ausbreitungskernel scheint unterschätzt zu werden. Mit dem angepassten Ausbreitungskernel wurden Simulationen durchgeführt, um die Diskrepanz zwischen geringer Einkreuzung durch den Hybriden in der natürlichen Schwarzpappelpopulation und der überwältigenden Anzahl dieser Hybride in der direkten Nachbarschaft zu untersuchten. Durch die Verwendung von verschiedenen standardmäßigen Ausbreitungskernel und des angepassten Zwei-Komponenten-Ausbreitungskernel fanden wir heraus, dass die Wahrscheinlichkeit einer Befruchtung durch Hybridpollen 10^-1 bis 10^-2 mal geringer als bei der Schwarzpappel war. Dieser Werteraum konnte über Ergebnisse bestätigt werden, die in Handbestäubungsexperimenten entstanden. Dies ist das erste Mal, dass die reproduktive Barriere zwischen P. nigra und P. x canadensis in frei bestäubten Bäumen in einem natürlichen Bestand gezeigt werden konnte. Die Verwendung von Simulationsmodellen zur Untersuchung von unterschiedlichen Ausbreitungsmechanismen stellte sich als viel versprechend heraus, nicht nur zur Beschreibung des Ausbreitungsprozesses selbst, sondern auch hinsichtlich der Kombination von Expertenwissen aus den verschiedensten Fachrichtungen in einem ökologischen Modell.
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institution Biologie
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format Dissertation
publisher Philipps-Universität Marburg
author Niggemann, Marc
description Dispersal is an essential process in plant survival because it allows plants as static organism to move. Plant dispersal is necessary to avoid unsuitable conditions and to colonise new sites. Additionally gene flow between populations reduces possible genetic threads as inbreeding depression. Genetic exchange is not limited to the dispersal of seeds, but is also possible by pollen dispersal. The most common dispersal vectors for plants are animals and wind. However, in human dominated landscapes animals could be replaced by humans. To assess the importance of humans on plant distribution a simulation model was created. The effect of human movement and gardening styles were tested for different ruderal plant species. I found strong influence of human movement behaviour especially on alien species. During 20 years these species extended their distribution range taking benefit from increased human mobility as revealed by sociological studies. In contrast native species tended to be more affected by the change of the agricultural landscape and of rural to urban life styles. Nevertheless, the change in species distribution could in all cases be better explained by simulating human transport based on human movement behaviour than by a distance dependent diffusion model. Another approach using simulation models for dispersal has been done in the wind pollinated floodplain species Populus nigra in Central Germany. The aim of the study was to assess the extent of intraspecies respectively introgressive pollen mediated gene flow by the hybrid P. x canadensis. Therefore the estimation of a pollen dispersal kernel was essential to model the dispersal processes. Genetic paternity analyses allow the calculation of pollen dispersal distances between father and mother trees. I used marked point pattern analyses to estimate and assess the uncertainty in fitted pollen dispersal kernels. There was only a significant departure from the null random mating model up to a distance of approximately 300m, although we were dealing with a wind pollinated species and the analyses were based on a huge dataset of more than 1,500 seeds. A two-component pollen dispersal kernel comprising an exponential power function and a truncated uniform function was the most parsimonious model to fit the data. The fitted kernel was able to predict the number of seeds fathered by a male tree and provided comparable results with published spatial statistic models. Our results strongly suggest that kernel estimates based on the direct fit of the observed mating distances differed considerably from fitted kernels that account for the spatial structure of adult trees. The uncertainty in the estimation of those directly fitted kernel may be underestimated. With a suitable pollen dispersal kernel at hand, simulation studies were conducted to understand the discrepancy between low introgression rates in the natural population of P. nigra and the overwhelming number of hybrids in the close vicinity. Using different standard dispersal kernels and our fitted two-component exponential power function, we found that the probability of fertilisation was 10-1 to 10-2 times lower in hybrid than in P. nigra pollen. This range could be confirmed with published results from hand pollination experiments and is the first time that the reproductive barrier between P. nigra and P. x canadensis has been revealed in open pollinated trees in a natural population. Using simulation models to understand different kinds of dispersal mechanisms turned out to be a promising way not only to describe the process of dispersal itself but also to combine expert knowledge of various disciplines in an ecological simulation model.
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spelling diss/z2010/0086 2011-08-10 Modelling dispersal in plants Ausbreitung ist ein entscheidender Prozess beim Überleben von Pflanzen, denn er ermöglicht Pflanzen als sessilen Organismen sich fortzubewegen. Ausbreitung ist sowohl zur Vermeidung von schlechten Bedingungen als auch zur Neubesiedlung von Flächen notwendig. Außerdem reduziert ein genetischer Austausch zwischen Populationen mögliche genetische Bedrohungen wie z.B. Inzuchtdepression. Die häufigsten Ausbreitungsvektoren bei Pflanzen sind Tiere und Wind. In vom Menschen dominierten Landschaften jedoch können Menschen die tierische Verbreitung ersetzen. Um die Bedeutung des Menschen auf die Pflanzenverbreitung zu untersuchen wurde ein Simulationsmodell erstellt. Der Effekt der menschlichen Bewegung und Gartenstile wurde für verschiedene ruderale Pflanzen getestet. Ich fand einen starken Einfluss des menschlichen Bewegungsverhaltens besonders bei nicht-einheimischen Arten heraus. Innerhalb von 20 Jahren vergrößerten diese Arten ihre Verbreitung, wobei sie von der ansteigenden Mobilität der Menschen profitierten, die in soziologischen Untersuchungen nachgewiesen worden war. Im Gegensatz dazu schienen einheimische Arten stärker auf den Wechsel der bäuerlichen Landschaft und von einem ländlichem zu einem städtischen Lebensstil zu reagieren. Allerdings konnte die Veränderung in der Artverbreitung in allen Fällen besser mittels einer menschlichen Ausbreitung basierend auf menschlichen Bewegungsverhalten simuliert werden als durch ein distanzabhängiges Diffusionsmodell. Eine weitere Herangehensweise zur Nutzung von Simulationsmodellen bei Ausbreitungsprozessen wurde anhand der windbestäubten, in der Weichholzaue von Flüssen vorkommenden Art Populus nigra in Mitteldeutschland durchgeführt. Das Ziel der Untersuchung war es, das Ausmaß von innerartlichem Pollenvermittelten Genfluß durch den Schwarzpappelhybriden P. x canadensis abzuschätzen. Daher war die Abschätzung eines passenden Ausbreitungskernel entscheidend für die Modellierung der Ausbreitung. Genetische Vaterschaftsanalysen ermöglichen die Berechnung von Ausbreitungsdistanzen des Pollens zwischen Vater- und Mutterbäumen. Ich habe Punktmusteranalysen benutzt um Ausbreitungskernel anzupassen und deren statistische Unsicherheit zu testen. Es gab nur bis zu einer Distanz von 300m eine signifikante Abweichung vom Paarungs-Nullmodell, obwohl es sich um eine windbestäubte Art handelt und die Analysen auf einem sehr großen Datensatz von mehr als 1.500 Samen beruhten. Ein Zwei-Komponenten-Ausbreitungskernel aus einer exponential-power Funktion und einer eingeschränkten Gleichverteilungsfunktion bildete das am besten angepasste Model zu den Daten. Der angepasste Kernel konnte die Anzahl von Samen, die von einem männlichen Baum bestäubt wurden, abschätzen und lieferte vergleichbare Ergebnisse wie veröffentlichte räumlich statistische Modelle. Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass Ausbreitungskernel, die auf einer direkten Anpassung an die beobachteten Paarungsdistanzen beruhen, stark von Ergebnissen abweichen, die durch Methoden erzielt wurden, die die räumliche Struktur von Altbäumen berücksichtigen. Die Unsicherheit in der Abschätzung solcher direkt angepasster Ausbreitungskernel scheint unterschätzt zu werden. Mit dem angepassten Ausbreitungskernel wurden Simulationen durchgeführt, um die Diskrepanz zwischen geringer Einkreuzung durch den Hybriden in der natürlichen Schwarzpappelpopulation und der überwältigenden Anzahl dieser Hybride in der direkten Nachbarschaft zu untersuchten. Durch die Verwendung von verschiedenen standardmäßigen Ausbreitungskernel und des angepassten Zwei-Komponenten-Ausbreitungskernel fanden wir heraus, dass die Wahrscheinlichkeit einer Befruchtung durch Hybridpollen 10^-1 bis 10^-2 mal geringer als bei der Schwarzpappel war. Dieser Werteraum konnte über Ergebnisse bestätigt werden, die in Handbestäubungsexperimenten entstanden. Dies ist das erste Mal, dass die reproduktive Barriere zwischen P. nigra und P. x canadensis in frei bestäubten Bäumen in einem natürlichen Bestand gezeigt werden konnte. Die Verwendung von Simulationsmodellen zur Untersuchung von unterschiedlichen Ausbreitungsmechanismen stellte sich als viel versprechend heraus, nicht nur zur Beschreibung des Ausbreitungsprozesses selbst, sondern auch hinsichtlich der Kombination von Expertenwissen aus den verschiedensten Fachrichtungen in einem ökologischen Modell. Modellierung der Ausbreitung bei Pflanzen 2010 opus:2663 2010-03-09 urn:nbn:de:hebis:04-z2010-00868 2010-02-16 Dispersal is an essential process in plant survival because it allows plants as static organism to move. Plant dispersal is necessary to avoid unsuitable conditions and to colonise new sites. Additionally gene flow between populations reduces possible genetic threads as inbreeding depression. Genetic exchange is not limited to the dispersal of seeds, but is also possible by pollen dispersal. The most common dispersal vectors for plants are animals and wind. However, in human dominated landscapes animals could be replaced by humans. To assess the importance of humans on plant distribution a simulation model was created. The effect of human movement and gardening styles were tested for different ruderal plant species. I found strong influence of human movement behaviour especially on alien species. During 20 years these species extended their distribution range taking benefit from increased human mobility as revealed by sociological studies. In contrast native species tended to be more affected by the change of the agricultural landscape and of rural to urban life styles. Nevertheless, the change in species distribution could in all cases be better explained by simulating human transport based on human movement behaviour than by a distance dependent diffusion model. Another approach using simulation models for dispersal has been done in the wind pollinated floodplain species Populus nigra in Central Germany. The aim of the study was to assess the extent of intraspecies respectively introgressive pollen mediated gene flow by the hybrid P. x canadensis. Therefore the estimation of a pollen dispersal kernel was essential to model the dispersal processes. Genetic paternity analyses allow the calculation of pollen dispersal distances between father and mother trees. I used marked point pattern analyses to estimate and assess the uncertainty in fitted pollen dispersal kernels. There was only a significant departure from the null random mating model up to a distance of approximately 300m, although we were dealing with a wind pollinated species and the analyses were based on a huge dataset of more than 1,500 seeds. A two-component pollen dispersal kernel comprising an exponential power function and a truncated uniform function was the most parsimonious model to fit the data. The fitted kernel was able to predict the number of seeds fathered by a male tree and provided comparable results with published spatial statistic models. Our results strongly suggest that kernel estimates based on the direct fit of the observed mating distances differed considerably from fitted kernels that account for the spatial structure of adult trees. The uncertainty in the estimation of those directly fitted kernel may be underestimated. With a suitable pollen dispersal kernel at hand, simulation studies were conducted to understand the discrepancy between low introgression rates in the natural population of P. nigra and the overwhelming number of hybrids in the close vicinity. Using different standard dispersal kernels and our fitted two-component exponential power function, we found that the probability of fertilisation was 10-1 to 10-2 times lower in hybrid than in P. nigra pollen. This range could be confirmed with published results from hand pollination experiments and is the first time that the reproductive barrier between P. nigra and P. x canadensis has been revealed in open pollinated trees in a natural population. Using simulation models to understand different kinds of dispersal mechanisms turned out to be a promising way not only to describe the process of dispersal itself but also to combine expert knowledge of various disciplines in an ecological simulation model. ths Prof. Dr. Ziegenhagen Birgit Ziegenhagen, Birgit (Prof. Dr.) Philipps-Universität Marburg Niggemann, Marc Niggemann Marc
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