Phylogenetic community structure assessment of a mixed Dipterocarp forest using DNA barcoding and molecular phylogeny of the dominant tree family Dipterocarpaceae

Fur das Barcoding von Pflanzen werden standardmasig zwei Marker verwendet: Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (rbcL) und Maturase K (matK). Im Gegensatz zu der weitestgehend konservierten rbcL-Barcoding-Region ist die matK-Barcoding-Region sehr variable (ca. dreimal so variable wie rbcL), was mit Schwierigkeiten der Auswahl der Primer, welche fur die Vervielfaltigung der DNS wahrend der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) benotigt werden, einhergeht. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein weites Spektrum an verschiedenen Pflanzenfamilien untersucht wird. Fruhere Studien verwendeten jeweils unterschiedliche Primerkombinationen fur verschiedene Familien. Dieses Verfahren ist jedoch zeitaufwendig und teuer. In der ersten Studie dieser Arbeit, wurden 14 universelle matK-Primer, unter Verwendung von kompletten matK-Sequenzen aus GenBank, entwickelt. Mittels Kombination dieser Primer in einer Multiplex-PCR konnte die matK-Barcoding-Region aller Angiospermen erfolgreich amplifiziert werden. Die matK-Barcoding-Region wurde, zusammen mit der rbcL-Barcoding-Region, in einer zweiten Studie verwendet, um Baume und Straucher (3237 Individuen) in mehreren Quadraten eines 25 ha Dipterocarpaceaen-Mischwaldes in Brunei Darussalam (Borneo, Sudostasien) meist auf Gattungsebene zu identifizieren und die phylogenetische Gemeinschaftsstruktur dieses Waldes zu beurteilen. Die kombinierte Matrix aus rbcL- und matK-Barcoding-Regionen [555 Haplotypen, die zu ≥154 Gattungen, 68 Familien, 25 Ordnungen nach der Angiosperm Phylogeny Group (APG) gehoren], wurde verwendet, um phylogenetische Verwandtschaftsbeziehungen zu erstellen [mit und ohne Verwendung eines APG-Baums auf Ordnungsebene (APGIII)]. Ein dritter phylogenetischer Baum wurde unter Verwendung des Programms Phylomatic rekonstruiert. Dieses Programm wird traditionell von vielen Okologen verwendet und reduziert einen existierenden Referenzbaum so, dass nur Taxa, welche in der betreffenden Pflanzengesellschaft vorkommen, enthalten sind. Die verschiedenen phylogenetischen Baume wurden verwendet um Gesellschaftsindizes [Net Relatedness Index (NRI) and Nearest Taxon Index (NTI)] zu berechnen. Die Gesellschaftsindizes deckten jeweils die gleichen Formen der Gesellschaftsstruktur auf: in den meisten Fallen zufallige Verteilung oder phylogenetische Gruppierung. Phylogenetische Gruppierung weist auf den moglichen Einfluss abiotischer Faktoren auf die Gesellschaftsstruktur des Waldes hin. Allerdings wiesen die Gesellschaftsindizes unter Verwendung des Phylomatic-Baumes eine deutlich hohere Variation auf, welche sich mit statistischem Rauschen, einhergehend mit der niedrigen Auflosung dieses phylogenetischen Baumes, erklaren lasst. Weiterhin beschaftigt sich diese Arbeit mit der molekularen Phylogenie der okologisch und okonomisch wichtigen Familie der Flugelfluchtgewachse (Dipterocarpaceae, Malvales), welche die dominierenden Baume im untersuchten Wald darstellen. Die Familie der Flugelfruchtgewachse wird in drei Unterfamilien gegliedert: Dipterocarpoideae, die groste, vorwiegend in Asien vorkommende Unterfamilie, Monotoideae in Afrika, Madagaskar und dem kolumbianischen Amazonas und Pakaraimaeoideae aus den Hochlandern Guayanas und Venezuela. Datierungsanalysen, basierend auf DNA-Sequenzdaten zeigen, dass die Dipterocarpoideae ca. 55 Millionen Jahre alt sind. Phylogenetische Analyse verschiedener Plastidenregionen aller drei Unterfamilien, sowie Vertreter der nah verwandten Familien Sarcolaenaceae, Cistaceae und Bixaceae zeigt verwandtschaftliche Unterschiede zu jenen in bisherigen morphologischen Klassifikationen vorgeschlagenen. Pakaraimaea (Unterfamilie Pakaraimaeoideae) bildet eine Gruppe mit Cistaceaea. Monotoideae bildet eine schwach unterstutzte Schwestergruppe zu Dipterocarpoideae. In Bezug auf die Unterfamilie Dipterocarpoideae, ist Dipterocarpus Schwestergruppe zu Dryobalanops und Shoreeae, was dem morphologischen Konzepte der beiden Tribus Dipterocarpeae (Anisoptera, Cotylelobium, Dipterocarpus, Stemonoporus, Vatica, Vateria und Vateriopsis) und Shoreeae (Hopea, Parashorea, Neobalanocarpus und Shorea) im Sinne von Ashton widerspricht. Weiterhin ist die Gattung Shorea (sensu Ashton) nicht monophyletisch. Die untersuchten Genomgrosen sind klein (0,3264-0,6724 pg). Neue Chromosomenzahlen wurden ermittelt (Dipterocarpus zeylanicus Thwaites: 2n = 22; Shorea megistophylla P.S.Ashton: 2n = 14; Hopea jucunda Thwaites: 2n = 21; Shorea oblongifolia Thwaites: 2n = 14; and Vatica endertii Slooten: 2n = 22). Diese entsprechen fruheren Aufzeichnungen in der Familie Dipterocarpaceae. RAD-Sequenzierung (Restriction Site Associated DNA Sequencing, eine Next-Generation-Sequenziermethode) wurde erfolgreich verwendet, um phylogenetische Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Shoreeae aufzulosen. Analysen von Tausenden von RAD-abgeleiteten SNPs (Single Nucleotid Polymorphisms) fuhren zu kongruenten, aber viel besser aufgelosten Baumen im Vergleich zu jenen, die aus Sanger-Sequenzierung von Plastidenregionen resultieren. Bei der polyphyletischen Gattung Shorea wird auch die Monophylie einiger (Unter-)Sektionen nach Ashton nicht gestutzt, wahrend Gruppierungen nach Maury unterstutzt werden. Dies trifft ebenfalls fur einige (Unter-)Sektionen der monophyletischen Gattung Hopea zu. Einblicke in die Evolution von Blutenmerkmalen stutzen die auf Bestaubungsbiologie und Biogeographie basierende Hypothese, dass Bluten mit grosen, langlichen Antheren und mehr als 15 Staubblatternmit kurzen Anhangen einen plesiomorphen Merkmalszustand in der Unterfamilie Dipterocarpoideae darzustellen scheinen.