Application of DNA marker systems to test for genetic imprints of habitat fragmentation in Juniperus communis L. on different spatial and temporal scales-Integration of scientific knowledge into conservation measures

The formerly continuous and widespread juniper (Juniperus communis L.) populations are currently divided into small and fragmented relics in numerous European countries. Additionally, many of these populations suffer from an absence of natural regeneration and consist predominantly of senescent indi...

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Main Author: Michalczyk, Inga Maria
Contributors: Ziegenhagen, Birgit (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2008
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Table of Contents: Der ehemals landschaftsbestimmende Wacholder (Juniperus communis L.) ist heute in vielen Ländern Europas nur noch in fragmentierten Populationen anzutreffen. Viele dieser Populationen weisen ein Naturverjüngungsdefizit und eine überalterte Vertikalstruktur auf. Um den Wacholder als einen Vertreter der europäischen Kulturlandschaft zu erhalten, erachte ich Restaurierungsmaßnahmen als unabdingbar. Hierin ist die Motivation der vorliegenden Doktorarbeit begründet. Zunächst nutzte ich unterschiedliche DNA-Marker-Systeme, um verschiedene Wacholderpopulationen auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen auf genetische Effekte der Habitatfragmentierung hin zu überprüfen. Die gewonnenen Ergebnisse sollten dazu dienen, die auf regionaler Ebene untersuchten Populationen naturschutzfachlich zu bewerten und einen wissenschaftlich begründeten Managementplan für gefährdete Wacholderpopulationen zu erstellen. Dieser Plan sollte sich mit Nachbesserungen durch Ausbringen von Saat- und Pflanzgut beschäftigen. Auf europäischer Ebene setzte ich AFLP-Marker ein, um Aspekte der biogeographischen Geschichte des Wacholders zu rekonstruieren und mögliche genetische Abstammungslinien zu identifizieren. Es wird angenommen, dass derartige Linien geographische Areale beschreiben, innerhalb derer Saat- und Pflanzgut ausgetauscht werden kann. Die genetische Analyse ließ keine Abstammungslinien erkennen. Aufgrund der AFLP-Daten und im Zusammenhang mit Kenntnissen aus anderen wissenschaftlichen Disziplinen vermute ich, dass der Wacholder während der letzten Eiszeit in Zentraleuropa in zahlreichen kleinen Habitaten überdauerte. Möglicherweise waren diese diffus über Zentraleuropa verteilt und veränderten sich mehrmals in ihrer Größe und geographischen Lage. Für die Zeit zwischen der letzten maximalen Eisausdehnung bis heute sehe ich für Wacholder periodisch auftretende Fragmentierungs- und Gründerereignisse als wahrscheinlich an. Auf regionaler Ebene, im Rheinischen Schiefergebirge (RS) (Westdeutschland), setzte ich nSSR-Marker ein, um Einblicke in die genetische Struktur und Diversität von acht Wacholderpopulationen zu erhalten. Um die genetische Identität der Bestände durch Nachbesserungen mit Saat- und Pflanzgut nicht zu verändern und deren genetische Diversität zu erhalten, ist es notwendig, deren genetische Struktur und Diversität zu kennen. Gleichzeitig testete ich die Populationen auf mögliche genetische Effekte der derzeitigen Habitatfragmentierung. Die untersuchten Mikrosatellitenorte wurden im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert, und es erfolgte eine detaillierte Validierung. In einer Fallstudie analysierte ich die genetische Diversität und Differenzierung unterschiedlicher Pollenwolken, die in der Folgegeneration (Embryonen) reproduktiv effektiv geworden sind. Hierfür wurde eigens ein neues Computerprogramm entwickelt. Darüber hinaus wurden durch die Analyse von in Moospolstern abgelagerten Pollenkörnern physikalische Pollenflugdistanzen für Wacholder bestimmt. Für die räumliche Organisation von Saat- und Pflanzgut könnten derartige Daten von gewisser Relevanz sein. Die beachtlich hohe genetische Diversität und das Fehlen genetischer Flaschenhalseffekte sowie das Fehlen eines „isolation-by-distance“-Effektes deuten darauf hin, dass sich die heutige Habitatfragmentierung noch nicht auf die genetische Struktur und Diversität der Bestände ausgewirkt hat. Stattdessen vermute ich, dass der Status der genetischen Diversität seit Beginn der Fragmentierung „festgefroren“ ist. Die genetische Diversität der Folgegenerationen ist im Vergleich zu den Altbeständen nicht reduziert, obwohl die palynologische Untersuchung auf stark lokal begrenzten Pollenflug hinweist. Auf Grundlage der genetischen Ergebnisse erfolgte eine naturschutzfachliche Bewertung der untersuchten Populationen im RS. Hierfür erstellte ich ein Leitbild, welches auf weit verbreiteten populationsökologischen und -genetischen Theorien basiert. Warum diese Bewertung nicht zufriedenstellend ausfiel, wird im Rahmen dieser Arbeit detailliert diskutiert. Weiterhin beleuchtete ich im Hinblick auf die „life-history traits“ und die hier postulierte biogeographische Geschichte des Wacholders die Kriterien und deren Qualitätsforderungen des aufgestellten Leitbildes kritisch. Aufgrund der vorliegenden genetischen Ergebnisse und des Naturverjüngungsdefizites in den Populationen bleibt es weiterhin ungewiss, ob sich die heutige Fragmentierung im RS in Zukunft negativ auswirken wird. Allerdings erscheint es als sehr wahrscheinlich, dass sich Populationen, die sich dauerhaft nicht verjüngen, durch sukzessives Sterben seneszenter Individuen verkleinern und in der Folge komplett aussterben werden. Deshalb entwickelte ich einen genetisch begründeten Managementplan zur Restaurierung sich nicht verjüngender Wacholderpopulationen. Er umfasst Leitlinien und Empfehlungen für die Sammelstrategie von Pflanzmaterial, für dessen Behandlung im Gewächshaus und für dessen Inverkehrbringen.