Anzahl S-Allele - BFW

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Anzahl S-Allele - BFW

Inkompatibilitätssystem und

Populationsgrösse bei der

Wildbirne (Pyrus pyraster)

Sonia Angelone, Daniela Csencsics, Raphael Häner,

Susan E. Hoebee, Kirsti Määtänen und Rolf Holderegger


Inhalt

Theorie: Naturschutz und Inkompatibilitätssysteme

Hypothese

Resultate (1): molekulargenetische Identifizierung von

S-Allelen und Partner-Verfügbarkeit

Resultate (2): multiple Populations-Analyse

Hypothese?

Ausblick auf weitere Forschung

Bitte unterbrechen Sie, wenn Sie Fragen haben!


Theorie: Selbstinkompatibilitätssysteme

Gametophytisches

Selbstinkompatibilitätssystem

(GSI)

1 S-Locus (S-RNase)

S-Genotypen sind heterozygot

S3


Theorie: Wie erfasst man S-Genotypen?

Traditionell: Samenansatz in diallelischen Kreuzungen (grosse

Anzahl künstlicher Bestäubungen) und Hochrechnung auf

Population (Paxman 1963)

Genetisch: Reverse Transkriptase von mRNA aus dem Griffel

(Raspé & Kohn 2007)

Genetisch: PCR-Ansatz mit Primern für S-RNase-Gen (Vieira &

Charlesworth 2002) → unser Ansatz


Theorie: Naturschutz und Inkompatibilität

Leimu et al (2006):

Im Vergleich zu selbst-kompatiblen Pflanzen findet man in

kleinen Populationen von selbst-inkompatiblen Pflanzen eine

stark reduzierte Anzahl Allele und Fitness

Erklärung: reduzierte Anzahl von kompatiblen Paarungspartnern,

da geringe Diversität am Selbstinkompatibilitäts-Gen

Aussage entspricht gängiger Lehrmeinung

Aber: Anzahl kompatibler Partner wurde meist gar nicht bestimmt


Theorie: Naturschutz und Inkompatibilität

Leimu et al (2006):

Stark reduzierte Anzahl Allele und Fitness in kleinen

Populationen

? Theorie

von selbst-inkompatiblen im Vergleich

?

zu

kompatiblen Pflanzenarten

Erklärung: reduzierte Anzahl von kompatiblen Paarungspartnern,

da geringe Diversität am Selbstinkompatibilitäts-Gen


Theorie: S-Allele und Populationsgrösse

(GSI / Wright 1939)


Theorie: S-Allele und Populationsgrösse

Negativ Frequenz-abhängige Selektion:

Seltene S-Allele

→ viele Paarungsmöglichkeiten

→ höherer Fortpflanzungserfolg

→ höhere Frequenz in Nachfolge-Generationen

Häufige S-Allele

→ weniger Paarungsmöglichkeiten

→ kleinerer Fortpflanzungserfolg

→ kleinere Frequenz in Nachfolge-Generationen


Theorie: S-Allele und Populationsgrösse

Rosaceae Rosaceae

Gegen oben abflachender Zusammenhang zwischen Anzahl

S-Allele und Populationsgrösse

Gleiche Frequenz der S-Allele innerhalb Populationen


Theorie: Limitierung an Paarungspartnern

(GSI / Vekemans et al 1998)

Kaum empirische Daten zu verschiedenen Populationsgrössen!


Hypothese

Aufgrund Theorie (negativ Frequenz-abhängige Selektion)

haben selbst kleine Populationen selbst-inkompatibler

Pflanzen eine genügend hohe Diversität an S-Allelen und es

tritt keine Limitierung an kompatiblen Paarungspartnern auf

(bei GSI)

≠ Leimu et al (2006)


Resultate (1): Wildbirne

Pyrus pyraster (Rosaceae)

GSI

Insekten-bestäubt (Generalisten)

Kleine (N < 100) und zerstreute Populationen in der Schweiz


Resulate (1): Methode

Untersuchung aller adulten Wildbirnen in 3 Populationen

verschiedener Grösse ( N = 8, 42, 88)

(1) Bestimmung der S-Allele mittels PCR-RFLP und S-Locus

Sequenz-Homologie

(2) Test auf Funktionalität der S-Allele

(3) S-Allel Diversität und Partner-Verfügbarkeit in 3 Populationen


Resulate (1): Methode

S-RNase-Gen (Vieira & Charlesworth 2002)

Universelle Primer (Japanische Birne; Ishimizu et al 1999)


Resultate (1): S-Allel-Diversität

2000 bp

500 bp

100 bp

PCR Produkte

Unterschiedliche Sequenzen mit

gleicher Länge → PCR-RFLP

(1) Fragmentlängen-Analyse

(2) Restriktionsanalyse mit 3 REs

Null-Allele: Keine Null-homozygoten

S-Genotypen


Resultate (1): S-Allel Diversität

26 S-Allele mit hoher Variabilität und Längen zwischen 334

und 2000 bp (Japanische Birne: 350 – 1400 bp; Ishimizu et al

1999)

Hohe Sequenz-Homologie mit S-RNase Sequenzen von

Pyrus sp., Malus sp., Sorbus aucuparia und Crataegus

monogyna (BLAST)


Resultate (1): Funktionalität der S-Allele

Künstliche Bestäubungen bekannter S-Genotypen

in 3 Populationen:

Selbstung (N = 8)

Inkompatible Kreuzung (S1S3 × S1S3; N = 2)

Semi-kompatible Kreuzung (S1S3 × S1S6; N = 5)

Voll kompatible Kreuzung (S1S3 × S4S6; N = 25)

Offene Bestäubung (N = 8)

}

}

inkompatibel

kompatibel


Resultate (1): Funktionalität der S-Allele

Relativer

Fruchtansatz

Samen /

Ovarien

Verhältnis

Relativer

reproduktiver

Erfolg

RFS: P ≤ 0.001 (ANOVA)

S/O: P ≤ 0.001

RRS: P ≤ 0.001

Orthogonale lineare Kontraste

Limitierung an (kompatiblem)

Pollen


Resultate (1): Funktionalität der S-Allele

Überprüfung der Kreuzungen: S-Genotypen und 4 Mikrosatelliten

(Yamamoto et al 2002) von Eltern und Nachkommen

Verifizierte Selbstungen (sehr selten!)

Mendel'sche Vererbung der S-Allele

Keine Null-homozygoten S-Genotypen in Nachkommen


Resultate (1): Funktionalität der S-Allele

Pollenschlauchwachstum bei künstlichen Bestäubungen

bekannter S-Genotypen in 1 Population:

Voll kompatible Kreuzung (N = 89 Griffel)

Semi-kompatible Kreuzung (N = 51)

Inkompatible Kreuzung (N = 25)

Selbstung (N = 44)

}

}

kompatibel

inkompatibel


Resultate (1): Funktionalität der S-Allele

Kompatible Bestäubungen: Wachstum bis Samenanlagen

Inkompatible Bestäubungen: unter Narbe gestoppt


Resultate (1): S-Allel Frequenzen

N = 42

N = 88

N = 8

Homogene Frequenzverteilung der S-Allele in Populationen

(P > 0.05; CHIFISH)

Inhomogene Frequenzverteilung der S-Allele zwischen

Populationen (P ≤ 0.001)


Resultate (1): S-Allel Diversität

-


Resultate (1): Zusammenfassung

Funktionierendes Selbstinkompatibilitätssystem bei der

Wildbirne

Kleine Populationen besitzen recht hohe Anzahl S-Alelle

und ihre Paarungspartner-Verfügbarkeit ist kaum

eingeschränkt = Theorie


Resultate (2): Methode

Nur 3 Populationen: generelles Muster?

15 Populationen:

Vollständige Untersuchung bis N ≤ 30

Stichprobe von 30 bei N > 30

S-Genotypen und 5 Mikrosatelliten

Paxman (1963): n = N (1 - (1 - 2/N) r ) , wobei N = Anzahl S-Allele in

Population


Resultate (2): Diversität

Populationsgrösse: Mittelwert = 37.4 (Spannweite = 8 - 88)

Anzahl S-Allele: 14.7 (9 - 21)

Gleiche S-Allele Verteilung in Populationen: P > 0.774

Ungleiche S-Allele Verteilung zwischen Populationen: P ≤ 0.001

Partner-Verfügbarkeit: 98.3% (92.9% - 100%)

Genetische Diversität (H e ): 0.848 (0.781 - 0.898)

Inzucht Index (F IS ): 0.107 (0.021 - 0.1640)


Resultate (2): S-Allel Diversität

P ≤ 0.001, R 2 = 75% → Residuen



Resultate (2): S-Allel Diversität

Lineare Regressionen:

Residuen ↔ H e : P = 0.405, R 2 = 5%

Residuen ↔ F IS : P = 0.997, R 2 = 0%

Residuen ↔ Partner-Verfügbarkeit: P = 0.231, R 2 = 11%

Anzahl S-Allele hat kaum Einfluss auf Paarungspartner-

Verfügbarkeit, genetische Diversität und Inzucht bei

Populationsgrössen ≥ 8


Resultate (2): Zusammenfassung

Gegen oben abflachender Zusammenhang zwischen

Populationsgrösse und Anzahl S-Allele (negativ Frequenzabhängige

Selektion) > Theorie

Anzahl Paarungspartner ist in kleinen Populationen kaum

eingeschränkt > Theorie

Kein Zusammenhang zwischen Anzahl S-Allelen bzw.

Populationsgrösse mit genetischer Diversität und

Inzucht


Hypothese?

Hypothese:

Aufgrund Theorie (negativ Frequenz-abhängige Selektion)

haben selbst kleine Populationen selbst-inkompatibler

Pflanzen eine genügend hohe Diversität an S-Allelen und es

tritt keine Limitierung an kompatiblen Paarungspartnern auf

(bei GSI)


Ausblick auf weitere Forschung

Theoretische Paarungspartner-Verfügbarkeit


Realisierte Paarungspartner-Verfügbarkeit

Hinweis: 13 von 15 Populationen zeigen signifikant positive F IS

Zunahme von Inzucht in einer panmiktischen, isolierten

Population (kein Genfluss von aussen):

F IS, t = 1 – H t /H 0 = 1 – (1 – 1/2N) t

Beispiel: N = 50, 1 Generation, Zunahme F IS um 1%

N e = 5, 1 Generation, Zunahme F IS um 10%


Ausblick auf weitere Forschung

Vaterschaftsanalyse offen bestäubter Nachkommen (S-Genotpyen

und 6 Mikrosatelliten) in 3 Populationen

Theoretische und realisierte Paarungspartner-Verfügbarkeit

Realisierte (bi-parentale) Inzucht in der Nachkommenschaft

Genfluss von aussen → S-Allel Immigration


Ausblick: Limitierung an Paarungspartnern?

Theoretische Partner-

Verfügbarkeit = 100%

> 200m

39%


Ausblick: Limitierung an Paarungspartnern?

Realisierte Anzahl Paarungspartner könnte zu verminderter

Fitness in kleinen Populationen von selbst-inkompatiblen

Arten führen (= Leimu et al 2006), was aber nicht mit der

Anzahl S-Allele zusammenhängt (≠ Leimu et al 2006)


Verdankungen

Felix Gugerli für Hilfe bei

Bestäubungsexperimenten und

Stefan Bernhard beim Sammeln

Förstern, Forstbehörden und

Eigentümern für Erlaubnis auf

ihren Grundstücken zu arbeiten

Bundesamt für Umwelt (BAFU)

für die finanzielle Unterstützung

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