Evolution und Biodiversität von neukaledonischen Diospyros

Neukaledonien ist eines der 34 durch "Conservation International" deklarierten Artenvielfalt-Zentren unserer Erde (Mittermeier et al., 2005), dessen Flora einen hohen Grad an Endemismus aufweist. Von den insgesamt 500 Arten der Gattung Diospyros findet man 32 Arten in Neukaledonien und alle außer einer sind in diesem Gebiet endemisch. Von 21, in Neukaledonien heimischen Arten, die in einer vorangegangenen Studie untersucht wurden, zeigten vier Arten eine Verwandtschaft mit Arten aus Australien, was eine Gondowana-Abstammung anzeigt. Die restlichen Arten bilden eine Abstammungsgruppe mit asiatischen Arten, was auf Verbreitung über lange Distanzen ("long distance dispersal") hinweist. Wir nehmen an, dass die Artbildung der neukaledonischen Diospyros-Arten hauptsächlich aufgrund von ökologischer Nischenseparation (boden- und klimatisch bedingt, Verschiebungen der Blütezeit, Bestäuber und Verbreitungsmechanismen) erfolgt ist. Dies könnte durch Polyploidisation und strukturellen Veränderungen der Chromosomen begleitet worden sein, falls solche in neukaledonischen Diospyros-Arten gefunden werden können. Im gegenwärtigen Antrag planen wir Artgrenzen der nahe verwandten neo- und paleoendemischen Diospyros- Arten mit Hilfe von AFLPs (mindestens 10-20 Individuen pro Art von unterschiedlichen Lokalitäten) zu untersuchen. Von klar definierten Taxa (OTU) sollen die phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse mit Hilfe von DNS-Sequenzen, von rasch evoluierenden Plastiden-Regionen, nukleären rDNS-Sequenzen und Sequenzen der entweder in niedriger oder einzelner Kopienzahl vorliegenden Kern-Gene Glutamat-Synthase (GS), Phytochrom C (PhyC) und Malat-Synthase (MS) ermittelt werden. Auch soll Hybridisierung, welche für einige Diospyros-Arten angenommen wird, aufgedeckt werden. Ein robuster Stammbaum soll einen indirekten Beleg für Artbildungsprozesse sein, welche zu den gegenwärtigen Arten geführt haben. Ökologische Verschiebungen in Artbildung sollen durch Feldbeobachtungen von Blütezeit, Bestäubern, Samenausbreitung sowie auch von bodenbedingten und klimatischen Faktoren belegt werden. Ob Polyploidie (Allo-/Auto-) einen Einfluss auf Artbildungsprozesse hat, soll mit Hilfe von Chromosomenzählungen an den neukaledonienschen Diospyros-Arten untersucht werden. Der Einfluss von ökologischer Artbildung und adaptiver Radiation auf strukturelle Veränderungen von Chromosomen, was zu reproduktiver Isolation geführt haben könnte, soll durch FISH- Untersuchungen (mit Hilfe von 5s und 45s rDNS) erforscht werden. Die zeitliche Divergenz der Neukaledonienschen Diospyros-Arten soll mit Hilfe des Kern-Gens PhyC erhoben werden, was unter Verwendung von Sequenzen anderer Disopyros-Arten sowie Gattungen der Familie Ebenaceae (Royena und Euclea) und einigen Arten der Ordnung Ericales (Familien Theaceaeae, Ericaceae), wofür Fossil-Aufzeichnungen zur Kalibrierung vorliegen, als Vergleichsgruppen, geschehen soll. Die verfügbaren Fossilienbelege der australischen Diospyros- Arten werden als zweiter Kalibrierungsspunkt für die Bestimmung des Zeitpunkts der Aufspaltung zwischen dem basalen Punkt des neukaledonischen Diospyros-Stamms und den australischen Arten, verwendet, um zu verifizieren, um welchen Typ von Endemismus es sich handelt. Dieses Forschungsprojekt soll Muster und Prozesse der genetischen Diversität und Artbildung innerhalb und zwischen den Endemiten aufklären, um Artenvielfalt (Biodiversität) zu bewerten und Strategien für Erhaltungsprogramme ("Conservation") zu erarbeiten.

Diospyros ist eine große Gattung holziger Blütenpflanzen und zählt zur Familie Ebenaceae. Von den 31 Diospyros-Arten in Neu Kaledonien sind 30 endemisch. Vorhergehende Studien der Gattung Diospyros, basierend auf Sequenzen von Plastidenmarkern, zeigten, dass die Neu Kaledonischen Arten drei Gruppen bilden. Zwei dieser Gruppen beinhalten nur wenige Arten (zwei bzw. fünf) und die Mehrheit der Arten (24) bildet die dritte Gruppe. Unsere Untersuchungen basierend auf Sequenzdaten zeigten die Arten der Gruppe 3 als nahe miteinander verwandt. Diospyros vieillardii ist klar Schwester zum Rest der Gruppe und ansonsten formten nur vier Arten einheitliche Gruppen. Die AFLP-Daten (Amplifizierte Fragment-Längen Polymorphismen) unterstützen das morphologische Artkonzept, aber haben nicht geholfen die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den nahe verwandten Arten aufzuklären. Aus RAD-Daten (Restriktionsstellen Assoziierte DNA; Sequenziertechnik nächster Generation) abgeleitete Artabgrenzungen sind ähnlich derer von AFLP-Daten. Stammbäume basierend auf SNPs (Einzel-Nukleotid Polymorphismen) aus RAD-Daten sind wesentlich besser aufgelöst und besser unterstützt, als jene basierend auf den Sanger-Sequenzdaten der Kern- und Plastidenmarkern. Die meisten der 21 inkludierten Arten formen sowohl in den AFLP- als auch in den RAD-Analysen, monophyletische Gruppen. Die gefundenen, phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse folgen keiner ökologischen Struktur, was darauf hindeutet, dass die ökologische Vielfalt Neu Kaledoniens eine Rolle bei Artbildungsprozessen spielte. Funktionelle Annotierungen von genomischen Regionen mit konstant hohen Unterschieden zwischen Schwesterarten, welche auf unterschiedlichen Substraten vorkommen (z.B. D. flavocarpa D. umbrosa, D. labillardierei D. trisulca), deuten auf Gene hin, die in Bindung und Transport von Substanzen an/durch die Zellmembran beteiligt sind. Genomgrößenmessungen zeigten um fast 3-fach höhere Genomgrößen im Vergleich zu Diospyros-Arten aus anderen Gruppen. Chromosomenzählungen haben keine Anzeichen von Ploidyploidie in dieser Gruppe gezeigt. Gesamtgenomsequenzierungen mittels einer Sequenziermethode nächster Generation zeigten, dass die größeren Genome generell mehr wiederholte Elemente wie LTR/gypsy beinhalten, aber ohne signifikante Anreicherung eines bestimmten Element-Typs. Abgesehen von den wiederholten Elementen, konnten wir auch Plastidensequenzen und Sequenzen der ribosomalen DNA der Zellkerne (nrDNA) aus den Daten der Gesamtgenomsequenzierung mit niedriger Abdeckung, sammeln. Diese Sequenzen konnten zu ganzen Plastidengenomen bzw. ganzen rDNA-Regionen zusammengesetzt werden. Die Plastome von Diospyros wurden mit jenem von Camellia sinensis in struktureller Organisation und Gen-Gehalt verglichen. Datierungsanalysen basierend auf DNA-Sequenz- und RAD-Daten, zeigten, dass die Krongruppe 3 ca. sieben Millionen Jahre alt ist und die Gruppe mit geringer statistischer Unterstützung in den RAD-Analysen ca. vier Millionen Jahre alt ist. Diospyros sind holzige Gewächse mit einer langen Generationszeit. Daher hat es seit dem letzten gemeinsamen Vorfahren nicht mehr als 500.000 Generationen gegeben. Diese geringe Anzahl an Generationen, nach dem originalen Verbreitungsereignis über lange Distanzen, gemeinsam mit einer schnellen Radiation über die unterschiedlichen Habitate, kann das Vorhandensein der niedrigen genetischen Diversität, erklären.