The eco-geography of sexual and apomictic polyploids in Potentilla puberula (Rosaceae) – identification and quantification of evolutionary and biogeographical processes

Innerartliche Variation der Anzahl der Genome eines Individuums ist ein häufiges und evolutionär sehr bedeutendes Phänomen in Pflanzen. Polyploidisierung führt nicht nur oft zum Zusammenbruch von Selbstinkompatibiltäts-Barrieren, sondern ist weiters mit der Evolution von Apomixis (asexuelle Vermehrung über Samen) kausal verbunden. Variation des Ploidieniveaus sowie der damit verbundenen Eigenschaften des Reproduktionssystems haben eine große Bedeutung für die ökologische sowie geographische Verbreitung der Zytotypen und damit für die Ökogeografie einer Art. Die sexuellen und apomiktischen Zytotypen zeigen unterschiedliche räumliche Verbreitungsmuster, die von geographischen Räumen bis zum Populationsniveau reichen und von drei prinzipiellen Faktoren bestimmt werden: der Migration, den Habitatpräferenzen bzw. –toleranzen sowie den reproduktiven Interaktionen zwischen den Zytotypen. Im vorliegenden Projekt untersuchen wir die Ökogeografie reproduktiv differenzierter Zytotypen in dem Modellorganismus Potentilla puberula (Rosaceae), eine Art die fünf Ploidiestufen aufweist. In den Europäischen Ostalpen durchgeführte Vorstudien zeigten eine reproduktive Differenzierung in sexuelle tetraploide und apomiktische penta- bis oktoploide Zytotypen, die mit deren ökologischen Differenzierung und gegenseitigen räumlichen Ausschluß korrelierte. In einem Nord-Süd-orientierten Transsekt durch die Ostalpen, der 150 Populationen umfaßt, wollen wir (i) den relativen Beitrag von Migration ausgehend von pleistozänen Eiszeitrefugien, der ökologischen Standortseigenschaften, sowie von Mustern des gemeinsamen Auftretens von Zytotypen zum gegenwärtigen Auftreten der Zytotypen bzw. der Reproduktionsmodi mittels eines variance partitioning-Algorithmus quantifizieren. Desweiteren wollen wir (ii) jene Prozesse identifizieren, die den gegenseitigen räumlichen Ausschluß der reproduktiv differenzierten Zytotypen bewirkten. Zu diesem Zweck wollen wir die Phylogeographie sowie die evolutionäre Entstehung der Zytotypen (basierend auf Chloroplasten-DNA-Sequenzen und AFLP-fingerprints) rekonstruieren, die ökologischen Standortsparameter umfassend erheben, und auf Abweichung von zufälliger räumlicher Verteilung der Zytotypen testen. Als Prozesse, die potentiell zum räumlichen Ausschluß der Zytotypen führen, untersuchen wir reproduktive Unterdrückung (minority cytotype exclusion), reproduktive Transformation der Sexuellen durch die Apomikten sowie Konkurrenz über unterschiedliche Fitness in kontrastierenden ökologischen Situationen mittels Computersimulationen, die wir mit empirisch und experimentell gewonnen Daten zum Reproduktionssystem der Zytotypen parameterisieren. Das Projekt ist stark interdisziplinär ausgerichtet und vereint die Expertise von WissenschaftlerInnen aus den Gebieten der Phylogeographie, Vegetationsökologie, Biomathematik, sowie der Reproduktionsbiologie und es soll einen Beitrag zum generellen Verständnis der Evolution und Diversifizierung polyploider Pflanzen liefern. Within a latitudinal transect in the Eastern Alps covering 150 populations we will (i) quantify the relative contributions of migration from Pleistocene refugia, ecological sites conditions, and co-occurrence patterns of cytotypes to the current distribution of cytotypes and reproductive modes by means of a variation partitioning algorithm. We will further (ii) identify processes underlying the observed strong spatial separation of reproductively differentiated cytotypes. To this end we will reconstruct the phylogeography and evolutionary origin of cytotypes (based on chloroplast DNA sequences and AFLP-fingerprinting), establish comprehensive measures of ecological site conditions, and test for non-random co-occurrence of cytotypes. Within the project and together with the project partner Christoph Dobes (Austrian Research Centre for Forests, Department of Forest Genetics) and two PhD-students we will (A) quantify the relative contribution of migration, habitat preferences, and co-occurrence (the term is used to cover both co-existence as well as exclusion) to the occurrence of cytotypes based on a reconstruction of the phylogeography of cytotypes and a comprehensive set of ecological site conditions, and (B) identify processes underlying the observed strong spatial separation of reproductively differentiated cytotypes