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Jörg Ochsmann:

Morphologische und molekularsystematische Untersuchungen an der Centaurea stoebe L. Gruppe (Asteraceae-Cardueae) in Europa

[A study of the morphology and molecular systematics of the Centaurea stoebe L. group (Asteraceae-Cardueae) in Europe]

2000. IX, 242 Seiten, 30 Abbildungen, 20 Tabellen, 5 Tafeln, zahlreiche Illustr. im Anh., 14x22cm, 470 g
Language: Deutsch

(Dissertationes Botanicae, Band 324)

ISBN 978-3-443-64236-5, brosch., price: 56.00 €

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Keywords

ChromosommorphologischmolekularKlonierungPolymerase

Contents

Synopsis top ↑

The polymorphic genus Centaurea with its c. 600 species comprises a number of groups, which can be classified with classical methods with difficulties only.
This work is a study of the organisation and delimitation of the Centaurea stoebe group using molecular methods and to compare them with the results of morphological investigations.
Within the Sect. Acrolophus, the Middle-European species group around Centaurea stoebe L. represents such a case. On one hand, only relatively few morphological characters are present, on the other hand these characters show a high degree of infraspecific variation which complicates the exact delimitation of species.
The Centaurea stoebe group usually includes C. maculosa, C. rhenana, C. muretii, C. vallesiaca and C. stoebe subsp. micranthos which has been introduced from Southeast Europe. In the presence of numerous transitions and hybrids a number of other taxa was included in the investigations. Besides some widely distributed species such as C. paniculata (s.l.) and C. diffusa several endemies (i.e. C. corymbosa, C. dalmatica, C. sagredoi) served as possible outgroups.
For the morphological studies more than 3500 specimens from different herbaria and ca. 1000 additional, freshly collected herbarium specimens from about 200 populations from all over Europe were studied.
The DNA required was extracted from herbarium or silicagel-dried material only, so that rare or plants that are accessible with difficulties only could be included in the investigations.
Chloroplast DNA spacer and internal transcribed spacer (ITS 1 and 2) of the ribosomal repeat of nuclear DNA turned out to be too invariable for phylogenetic analyses within the Centaurea stoebe group. Therefore parts of the distinctly more variable intergenic spacer (IGS) of the ribosomal repeat of nuclear DNA were sequenced. Two regions were developed and established as new markers. By a combination of ITS 1 and the two IGS regions a phylogenetic analysis of the investigation group consisting of 22 taxa was possible. Additionally, RAPD analysis was used to estimate the infraspecific variation and to clarify the origin of introduced plants.

Inhaltsbeschreibung top ↑

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mit Hilfe von molekularen Methoden Erkenntnisse über die Gliederung und Abgrenzung derCentaurea stoebe-Gruppe zu gewinnen und mit Ergebnissen morphologischer Untersuchungen zu vergleichen. Die polymorphe Gattung Centaurea mit ihren etwa 600 Arten umfaßt eine Reihe, mit klassischen Methoden nur schwer zu gliedernde Gruppen. Innerhalb der Sect. Acrolophus stellt die in Mitteleuropa vorkommende Artengruppe um C. stoebe einen solchen Fall dar. Einerseits sind nur relativ wenige morphologische Merkmale vorhanden, andererseits zeigen diese eine hohe infraspezifische Variation, wodurch die exakte Abgrenzung von Arten sehr schwierig wird.

Content Description top ↑

It is the objective of the present work to obtain knowledge of the organisation and delimination of the Centaurea stoebe group by using molecular methods and to compare with the results of morphological investigations. The polymorphic genus Centaurea with its c. 600 species comprises a number of groups, which can be classified with classical methods with difficulties only. Within the Sect. Acrolophus, the Middle-European species group around Centaurea stoebe L. represents such a case. On the one hand, only relatively few morphological characters are present, on the other hand these characters show a high degree of infraspecific variation which complicates the exact delimitation of species.

Bespr.: Botanik und Naturschutz in Hessen 13 (2001) top ↑

Ochsmann hat sich für seine Doktorarbeit, die in Göttingen entstand, die taxonomisch schwierige und mehrfach unterschiedlich gegliederte Gruppe von Centaurea strebe vorgenommen. Neben der gründlichen Bearbeitung mit traditionellen Methoden (Analyse der Morphologie, Chromosomenzahlen) wurde mit molekularen Methoden experimen- tiert und gearbeitet. Letztere werden mehr und mehr bei systematischen Untersuchungen eingesetzt, müssen aber in jeder Gruppe neu getestet und eventuell neu entwickelt werden. Um nicht auf lebendes und damit beschränktes Material angewiesen zu sein, wurde die benötigte DNA (Ribosomen und Chloroplasten) ausschließlich aus Her- barpflanzen oder mit Silikagel getrocknetem Material extrahiert. Die aus den molekularen Daten entwickelten Stammbäume (Dendrogramme) wurden mit verschiedenen morphologischen und chorelegischen Merkmalen kombiniert und gemeinsam taxonomisch bewertet.

Insgesamt wurden keine gravierenden Widersprüche zwischen den "traditionellen" morphologisch-chromosomalen und den "modernen" molekularen Merkmalen gefunden. Ein Befund ist die klare Trennung zwischen der östlich verbreiteten Centaureastuebe-Gruppe, die erweitert und neu gefaßt wird, und der westalpisch-submediterranen C.-panicu/ata-Gruppe. Die Zusammenfassung der beiden in einem "panicalata-Aggregat", was bei der floristischen Kartierung verwendet wurde, ist daher nicht gerechtfertigt.

Aus deutscher Sicht ist vor allem die Neufassung und hubspezifische Gliederung der Centaurea stoebe von Interesse. Die zuletzt oft vorgenommene Dreiteilung wird revidiert, die als macalosa bezeichnete Sippe wird in die Unterart stoebe einbezogen. Diese ist in Mitteleuropa heimisch, zu ihr gehören diploide, zweijährig-hapaxanthe (einmal blühende, dann absterbende) Pflanzen. Hierher ist auch der Name C. biebersteinli zu stellen. Die zweite Unterart micranthos umfaßt tetraploide, pollakanthe (ausdauernde, mehrfach blühende) Pflanzen. Sie besiedelte ursprünglich ein pontisch-pannonisches Areal, westwärts bis zum Burgenland, und hat sich sekundär weiter nach Norden und Westen ausgebreitet und ist heute in weiten Teilen Mitteleuropas zu finden, teils zusammen mit der anderen Unterart. Die Unterart micranthos ist die konkurrenzkräftigere und vor allem an Ruderalstandorten zu erwarten. Der Vollstän- digkeit halber sei auch die dritte, auf der Balkanhalbinsel endemische Unterart (serhica) erwähnt.

Die Unterarten der Centaurea stoebe sind morphologisch oft schwierig zu trennen, der morphologische Uberlappungsbereich ist breit. Einzelpflanzen sind in manchen Fällen kaum sicher zuzuordnen, und letzte Sicherheit dürfte dann nur die Chromosomenzählung geben. Überhaupt wäre noch an einem umfangreicheren Material zu prüfen, ob die morphologische Differenzierung immer eindeutig mit der chromosomalen einhergeht. Ochsmann gibt für die in Deutschland wachsenden Unterarten den folgenden Bestimmungsschlüssel:

- Pflanzen in der Regel einstengölig, hapaxanth, Köpfchen ungefähr 6,5-11 mm breit, Anhängsel jederseits mit 6-10 Fransen, diploid (2n=2x= 18) C. stoebe subsp. stoebe

- Pflanzen in der Regel mehrstengelig, pollakanth, Köpfchen ungefähr 5-8 mm breit, Anhängsel jederseits mit 4-7 Fransen, tetraploid (2n=4x=36) Unklar bleibt vorerst, wie die Unterarten in Hessen im Einzelnen verbreitet sind.

Ochsmann gibt die Unterart stoebe für Südhessen an (Rüsselsheim, Flörsheim, Darmstadt, Griesheim) und stuft sie hier als indigen ein. Die Unterart micranthos kommt synanthrop in der Gegend von Eschwege vor.

Wo (die in Mitteleuropa adventive) Centaurea Diehase (di- und tetraploid) und C. stoebe zusammentreffen, treten Bastarde auf (C. xpsammogena). Diese sind voll fertil und gewöhnlich an der intermediären Ausprägung der Merkmale zu erkennen. Ochsner konnte anhand genetischer Marker auch Introgression der C. Diehase in C. stoebe subsp. micranthos nachweisen, ohne daß die Bastardnatur der Pflanzen äußerlich sichtbar ist.

Botanik und Naturschutz in Hessen 13 (2001)

Inhaltsverzeichnis top ↑

1 Einleitung 1
1.1 Die Untersuchungsgruppe 2
1.2 Zielsetzung 2
2 Material 4
2.1 Untersuchungsgebiet 4
2.2 Untersuchte Sippen 5
2.3 Pflanzenmaterial 6
3 Methoden 8
3.1 Chromosomenzählungen 8
3.2 Trocknung von Blattproben mit Silikagel 8
3.3 DNA-Extraktion aus Pflanzenmaterial 9
3.4 PCR (Polymerase Chain Reaction) 9
3.4.1 verwendete Primer 10
3.4.2 verwendete Programme 11
3.5 Aufreinigung der PCR-Produkte 12
3.6 Gelelektrophorese (Agarosegele) 12
3.7 Klonierung 13
3.8 Sequenzierung 13
3.9 Auswertung der molekularen Daten 14
3.9.1 Sequenzdaten 14
3.9.1.1 Untersuchung der Struktur des IGS und Datenbanksuche 14
3.9.1.2 Erstellung der Alignments 14
3.9.1.3 Auswahl und Codierung der Merkmale 14
3.9.1.4 Erstellung der Datensätze für TREECON und PAUP 15
3.9.1.5 Phylogenetische Rekonstruktion mit PAUP 15
3.9.1.6 Distanzanalyse mit TREECON 16
3.9.2 RAPD-Analyse 17
3.9.2.1 Datengewinnung und Auswahl der Merkmale 17
3.9.2.2 Distanzberechnung und Darstellung 18
3.9.3 Split Decomposition-Methode 18
3.9.4 Berechnung genetischer Distanzen und Testverfahren 19
3.9.4.1 KIMURA-zwei-Parameter-Modell zur Berechnung genetischer
Distanzen aus Sequenzdaten 19
3.9.4.2 Berechnung genetischer Distanzen aus RAPD-Daten 19
3.9.4.3 Bootstrap 20
3.9.4.4 Bestimmung der Qualität der Parsimonie-Bäume 20
3.10 Erhebung morphologischer Daten 21
4 Auswertung 22
4.1 Allgemeiner Teil 22
4.1.1 Gliederung der Gattung Centaurea 22
4.1.2 Sippengliederung innerhalb der Untersuchungsgruppe 23
4.1.3 Anmerkungen zur Artabgrenzung verschiedener Bearbeiter 24
4.1.4 Hier verwendete Artabgrenzung/ "Problem der Ploidiestufen"