Molekulare Phylogenie und Evolution der Gattung Polystachya

Die Gattung Polystachya (Unterfamilie Epidendroideae, Tribus Vandeae and Subtribus Polystachynae) mit ihren etwa 150 Arten findet man in Madagaskar, im tropischen Afrika, Asien und Amerika (Polystachya ist eine der drei Orchideengattungen die eine solch weite Verbreitung zeigen). Die Lebensweise der meisten Polystachya-Arten ist epiphytisch, bei manchen ist sie lithophytisch oder terrestrisch. In Rahmen dieses Projekts sollen molekular- phylogenetische Untersuchungen an den Vertretern dieser Gattung durchgeführt werden. Diese Basisdaten ermöglichen dann die Antwort auf zahlreiche, interessante Fragenstellungen. Für die molekulare Analyse werden Chloroplasten- (matK, Spacer-Region trnH/psbA, Intron rps16) sowie Kern-Marker verwendet werden: zusätzlich zur "multicopy" rDNA-Region ITS (internal transcribed spacer) - sollen auch zwei "low-copy" Kern-Gene (PRK und LFY/FLO) untersucht werden. Die bisherigen Chromosomenzählungen haben gezeigt, dass es in der Gattung diploide und auch polyploide Taxa mit der gleichen Basis-Chromosomenzahl gibt. Die Chromosomen sind klein, daher soll Flurochrom-Bänderung angewendet werden um die Evolution der Karyotypen zu studieren. Zusätzlich ist "in situ" Hybridisierung geplant, um den Zusammenhang zwischen diploiden und polyploiden taxa, und die evolutionären Veränderungen in der Anzahl der rDNA Loci in ployploiden taxa, unter besonderer Berücksichtigung der Sektion Polystachya, herauszufinden. Einsicht in die Evolution der Genomgröße der Ephiphyten im Vergleich zu den terrestrischen Arten, sowie der diploiden Arten im Vergleich zu den polyploiden ist ein weiteres Ziel der Untersuchungen. Die molekulare Phylogenie soll herangezogen werden, um die Anpassung der Pflanzen an ihre Habitate bzw. die Evolution von terrestrischer zu epiphytischer Lebensweise zu untersuchen.

Die Orchideengattung Polystachya besteht aus ungefähr 250 Arten, welche ihren Verbreitungsschwerpunkt im tropischen Afrika haben, aber auch auf Madagaskar, im tropischen Asien, und in den Neotropen gefunden werden können. Diese Gattung wurde aus den folgenden Gründen als Model für phylogenetische Untersuchungen ausgewählt: aufgrund (a) der pantropische Verbreitung; (b) der Variabilität in Ökologie, Morphologie und Ploidiestufe; und (c) fehlender evolutionärer Information, auf welche weitere taxonomische Untersuchungen basieren könnten. Unsere Ziele sind (1) die Erstellung einer robusten, gattungsumfassenden phylogenetischen Hypothese basierend auf Chloroplasten-DNS-Sequenzdaten, anhand derer chromosomale Evolution, Biogeographie und infragenerische Klassifizierung untersucht werden soll; (2) das Herausfinden von retikulärer Evolution innerhalb der Gattung mit Hilfe von Kern- und Chloroplasten-DNS, die auch herangezogen werden sollen, um den Ursprung der tetraploiden Arten aus Madagaskar, Asien und den Neotropen im Detail herauszufinden; (3) die Untersuchung von AFLP-Daten um die Verwandtschaft einiger nahe verwandter Arten im Detail zu studieren, einerseits auf Ebene von pantropischen Verbreitungsmustern der Gattung, andererseits auf Populationsebene von zwei Arten aus Costa Rica. Um diese zu erreichen verwenden wir 5.3 kb von Chloroplasten-DNS zweier Abschnitte, um eine gut unterstützte Phylogenie für die 89 zur Verfügung stehende Arten zu erstellen. Der Chloroplasten-Stammbaum kann in 5 Hauptäste und einige artenarme, früh abzweigende Linien unterteilt werden. Separate Mannigfaltigkeitszentren können in Ost- und West-Afrika gefunden werden. Arten, die in diesen Gebieten vorkommen, gruppieren erst auf höhere phylogenetische Ebene zusammen, was auf mehrheitlich separate Entwicklungslinien in Ost- und West-Afrika für eine lange evolutionsgeschichtliche Periode deutet. Es gibt konkrete Hinweise auf eine Verbreitung vom westlichen Afrika ins östliche Afrika, wobei Arten mit Ursprung in West-Afrika sich wahrscheinlich später weiter verbreitet haben und Arten aus Ost-Afrika eher endemisch in ihren Ursprungsgebieten blieben. Dieses Muster der östlichen Arten kann begründet sein durch die Tendenz der ostafrikanischen Arten in montanen und submontanen Habitaten vorzukommen, welche als Refugien während pleistozäner Klimaveränderungen gedient haben könnten. Eine Analyse von feineren Verbreitungsmustern zeigte, dass sich einige Unteräste innerhalb kleinerer Verbreitungsgebiete diversifiziert haben, aber keine klaren Aussagen auf tieferem phylogenetischen Niveau zulassen. Genomgrößenmessungen (aber nicht Geleitzellengrößenmessungen) konnten herangezogen werden, um Rückschlüsse auf die Ploidiestufe von 112 Polystachya-Proben zu ziehen. Die diploide Genomgröße (1C) variiert von 0.58-1.03 pg, jene der Polyploiden von 1.10-1.80. Polyploidie ist mehrere Male unabhängig während der Polystachya-Evolution entstanden und verursachte eine nachfolgende, stärkere Diversifizierung; eine Gruppe von tetraploiden Arten hat sich schnell und ziemlich rezent über die weltweiten Tropen ausgebreitet. Chloroplasten-DNS ist ziemlich uninformative um Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb dieser Gruppe zu ermitteln, weil sie ein zu niedriges Gehalt an Sequenzunterschieden zeigen. Eine zusätzliche Analyse der Sequenzen von drei nukleären Genen, die in niedriger Kopienanzahl vorhanden sind, wie auch nukleärer ribosomaler DNS (in Kombination mit der Chloroplasten-DNS) zeigen mehr Information zur Ermittlung des Ursprunges der tetraploiden Verwandtschaftsgruppen. Die pantropischen, tetraploiden Arten sind verschiedenen Ursprungs, wobei die neotropischen unabhängig von den paleotropischen entstanden sind. Eine andere Gruppe von tetraploiden Endemiten der madagassischen Inseln sind auch hybridogenen Ursprungs, aber von genetisch sehr verschiedenen Elternarten, was auch die größere morphologische Bandbreite im Vergleich zu den pantropisch verbreiteten tetraploiden Arten, die gegenwärtig in dieser Gruppe gefunden werden kann, erklärt. Auch wenn die Genealogien der einzelnen Abschnitte Inkongruenzen aufweisen, ein Vergleich der Stammbäume mit Hilfe von Methoden, die inkongruente Äste in einzelnen Datensätzen herauszufiltern, zeigen nur wenig Hinweise auf Hybridisation und Introgressionen zwischen diploiden Untersuchungsmaterial. Inkongruenzen sind wahrscheinlich auf die in manchen Bereichen fehlenden phylogenetischen Informationen der einzelnen DNS-Loci zurückzuführen. Die AFLP-Daten verknüpfen Populationen aus Sri Lanka und Südost-Asien mit jenen aus Afrika und den madagassischen Inseln. Eine detaillierte Probennahme auf Populationsebene der Arten Polystachya foliosa und P. masayensis, zweier nah verwandter Arten aus Costa Rica, zeigt Hinweise für Introgression nur in einer der 17 untersuchten Populationen. Im Großen und Ganzen erscheinen diese Arten genetisch verschieden, auch wenn sie in denselben Verbreitungsgebieten vorkommen und rezenten hybridogenen Ursprungs sind. Ergebnisse der verwendeten "low- copy" nukleären DNS-Sequenzen sowie der AFLP-Markern unterstützen die Ansicht, dass Artkonzepte der pantropisch verbreiteten tetraploiden Arten neu definiert werden sollten, speziell innerhalb P. concreta.