Kownatzki, Dierk: Asexuelle und sexuelle Reproduktion bei der Vogelkirsche (Prunus avium L.)

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Schlüsselwörter
Vogelkirsche, Prunus, Paarungssystem, gametophytische Inkompatibilität, Reproduktionsmodus, Genfluß, Phänologie, Samenmorphologie, klonale Struktur
wild cherry, Prunus, mating system, gametophytic incompatibility, mode of reproduction, gene flow, phenology, seed morphology, clonal structure

Sachgruppe der DNB
26 Natur, Naturwissenschaften allgemein
Basisklassifikation
48.00
Göttinger Online Klassifikation
YQH 000

Dissertation zur Erlangung des Doktortitels, angenommen von: Georg-August-Universität Göttingen, Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie, 2001-02-08

Abstract (english)

Because of the competition regime in mixed forests, recedent tree species are permanent in danger of local extinction. The central question of this study reads as follows: How could the characteristics of the mechanisms of the genetic system guarantee the reproductive coherence of a recedent tree species? To answer this question, the mode of reproduction, the mating system and the gene flow system of wild cherry (Prunus avium L.) were studied. Wild cherry was chosen as a recedent model tree specie because of its faculty of asexual reproduction and its gametophytic incompatibility system.

The genetic concept of asexual reproduction of individuals is based on their genetic identity at all gene loci. The inversion of this implies that an individual was sexually reproduced if its genetic identity is totally different from all others. Transferring this concept to observable multilocus genotypes, each unique type which occurs in a population will be defined as sexually reproduced. Consequently, the rest of types with an absolute frequency greater or eqal 2 must be asexually reproduced.

A seed orchard is collection of clones, which originate from different stands. Based on multilocus genotypes representing 10 polymorphic gene loci, the wild cherry clones of four seed orchards were tested whether they were already asexual reproduced in the stands, from which they originated, or not. Different measures are studied if they are suitable to represent the population amount of asexual reproduction.

The gametophytic incompatibility system as a part of the mating system was first analyzed on a system-theoretical basis. The distribution of S genotypes in a totally differentiated model population was demonstrated for different numbers of S alleles. The results of pollination experiments and investigations of gene markers for the S gene locus were compared. Mating relations of neighbouring trees in a seed orchard of wild cherry were carried out.

The incompatibility system in wild cherry is endangered by activities in fruit tree breeding to increase self-fertility in sweet cherry. Since sweet cherry is the cultured variety of wild cherry, they are fully compatible. This may lead to a long-term breakdown of the incompatibility system in wild cherry.

The main conclusions which can be drawn for recedent tree species are the importance of preserving the mechanisms of the genetic system, especially protection of the incompatibility system from self-fertility alleles of the cultivated variety, and of conserving effective population sizes and differentiation within and between populations. Clone collections for the establishment of seed orchards should note that a considerable number of wild cherries in mixed stands are asexually reproduced.

Abstract (deutsch)

Wegen der Konkurrenzverhältnisse in Mischwäldern unterliegen rezedente Baumarten ständig der Gefahr der lokale Extinktion. Die zentrale Frage der vorliegenden Dissertation lautet daher, wie können die Mechanismen des genetischen Systems den reproduktiven Zusammenhalt einer rezedenten Mischbaumart garantieren? Um diese Frage zu beantworten, wurde der Reproduktionsmodus, das Paarungs- und Genflußsystem der Vogelkirsche untersucht. Die Vogelkirsche (Prunus avium L.) wurde wegen ihrer Fähigkeit zur asexuellen Reproduktion und ihres gametophytischen Inkompatibilität als Modellbaumart ausgewählt.

Das genetische Konzept der asexuellen Reproduktion von Individuen basiert auf der vollständigen genetischen Identität an allen Genloci dieser Individuen. Im Umkehrschluß bedeutet dies für ein sexuell reproduziertes Individuum, daß seine genetische Identität sich vollständig von allen anderen unterscheidet. Wendet man dieses Konzept auf beobachtbare Multilocus-Genotypen an, so ist definitionsgemäß jeder einmalige Typ aus sexueller Reproduktion hervorgegangen. Die übrigen Typen, die mit einer absoluten Häufigkeit größer oder gleich 2 vorhanden sind, stammen folglich aus asexueller Reproduktion.

Eine Samenplantage stellt eine Sammlung von Klonen dar, die ihren Ursprung in unterschiedlichen Ausgangsbeständen haben. Auf der Basis von Multilocus-Genotypen, die sich aus 10 polymorphen Genloci zusammensetzen, wurden die Klone in vier Vogelkirschensamenplantagen dahingehend geprüft, ob sie sich bereits in den Ausgangsbeständen asexuell reproduziert haben oder nicht. Verschiedene Maße, die den Anteil aus asexueller Reproduktion stammender Individuen bzw. Genotypen in Populationen messen sollen, wurden auf ihre Eignung und Aussagefähigkeit hin untersucht.

Das gametophytische Inkompatibilitätssystem, das ein Teilaspekt des Paarungssystems abbildet, wurde zunächst einer systemanalytischen Betrachtung unterzogen. Die Verteilung der S-Genotypen in einer vollständig differenzierten Modellpopulation ist für unterschiedliche Anzahlen von S-Allelen dargestellt. Die Ergebnisse von Bestäubungsversuchen und dem direkten, biochemisch-genetischen Nachweis des S-Genlocus wurden verglichen. Die Paarungsbeziehungen von benachbarten Bäumen einer Vogelkirschensamenplantage wurden hergeleitet und graphisch veranschaulicht.

Das Inkompatibilitätssystem der Vogelkirsche ist durch Anstrengungen der Obstzüchtung bedroht, die die Selbstfertilität der Süßkirsche fördern wollen. Da die Süßkirsche die Kulturform der Vogelkirsche ist, sind beide vollständig kompatibel. Langfristig kann dies zu einem Zusammenbruch des Inkompatibilitätssystems bei der Vogelkirsche führen.

Die wichtigsten Schlußfolgerungen, welche für rezedente Baumarten aus der Familie der Rosaceen abgeleitet werden können, sind die Erhaltung der Funktionsfähigkeit der Mechanismen des genetischen System, insbesondere der Schutz des Inkompatibilitätssystems vor selbstfertile Kulturkirschen, sowie die Erhaltung effektiver Populationsgrößen und ausreichend Differenzierung innerhalb und zwischen Populationen. Bei der Auswahl von Vogelkirschen für den Aufbau von Klonsammlungen, wie Samenplantagen, sollte beachtet werden, daß eine erheblicher Anteil der Bäume aus asexueller Reproduktion stammen kann.

Die vegetative Reproduktion der Individuen einer Population darf bei der Auswahl geeigneter Saatguterntebestände nicht unterschätzt werden.

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