Molekulare Untersuchungen zur Phylogenie der Gattung Fosterella (Bromeliaceae) Inaugural-Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) im Fachbereich Naturwissenschaften der Universität Kassel vorgelegt von: Martina Rex aus: Wismar (Mecklenburg/Vorpommern) Kassel, im Juni 2007 Betreuer: Prof. Dr. Kurt Weising Prüfungskommission: Prof. Dr. Kurt Weising (1. Gutachter) Prof. Dr. Georg Zizka (2. Gutachter) Dr. Maria Maier-Stolte (Beisitzerin) Prof. Dr. Hartmut Follmann (Beisitzer) Tag der mündlichen Prüfung: 16. Juli 2007 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ...................................................................................................................5 1.1 Allgemeine Merkmale der Bromeliaceae...............................................................6 1.2 Systematik der Bromeliaceae ...............................................................................7 1.3 Die Gattung Fosterella ........................................................................................11 1.3.1 Merkmale der Gattung Fosterella ................................................................12 1.3.2 Systematische Einordnung .........................................................................18 1.3.3 Artabgrenzung und Verwandtschaftsbeziehungen ......................................18 1.4 Problemstellungen und Ziele der Arbeit ..............................................................19 2 Material und Methoden............................................................................................20 2.1 Pflanzenmaterial.................................................................................................20 2.2 Molekulare Methoden .........................................................................................36 2.2.1 Allgemeine Grundlagen...............................................................................36 2.2.2 DNA-Isolation..............................................................................................38 2.2.3 Gelelektrophorese.......................................................................................39 2.2.4 AFLP- Analyse............................................................................................41 2.2.4.1 Allgemeine Grundlagen und Prinzip der Methode................................41 2.2.4.2 Durchführung der AFLP-Methode........................................................42 2.2.4.3 Restriktion und Ligation .......................................................................43 2.2.4.4 Amplifikation ........................................................................................43 2.2.4.5 Reproduzierbarkeitstest.......................................................................46 2.2.4.6 Codierung der Bandenmuster und Erstellung von Datenmatrizen........46 2.2.5 Vergleichende DNA-Sequenzierung ...........................................................48 2.2.5.1 Allgemeine Grundlagen .......................................................................48 2.2.5.2 Chloroplasten-DNA-Analyse ................................................................48 2.2.5.3 Mitochondrien-DNA-Analyse................................................................55 2.2.5.4 Aufreinigung von PCR-Amplifikaten.....................................................57 2.2.5.5 Sequenzierung der PCR-Fragmente....................................................58 2.2.5.6 Editierung und Sequenzalignment .......................................................59 2.2.5.7 Überprüfung erhaltener Sequenzen mit Hilfe der NCBI Gen-Bank.......60 2.3 Verfahren zur Datenanalyse ...............................................................................61 2.3.1 Distanzen und Evolutionsmodelle ...............................................................61 2.3.2 Wahl der Außengruppe für die Analysen.....................................................62 2.3.3 Distanzanalysen .........................................................................................62 2.3.4 Cophänetische Koeffizientenanalyse ..........................................................63 2.3.5 Hauptkoordinatenanalyse (PCoA)...............................................................63 2.3.6 Maximum Parsimonie-Analyse (MP) ...........................................................63 2.3.7 Maximum Likelihood-Analyse (ML) .............................................................64 2.3.8 Bayes´sche Analyse (MB)...........................................................................65 2.4 Anwendung der Datenanalyseverfahren.............................................................66 2.4.1 AFLP-Datenanalyse....................................................................................66 2.4.2 Chloroplasten-DNA-Datenanalyse ..............................................................68 3 Inhaltsverzeichnis 3 Ergebnisse ...............................................................................................................70 3.1 DNA-Isolation .....................................................................................................70 3.2 Ergebnisse der Vorversuche...............................................................................71 3.2.1 Pilotexperimente zur AFLP-Analyse............................................................71 3.2.1.1 Primer- und Probenauswahl ................................................................71 3.2.1.2 Reproduzierbarkeit der AFLPs.............................................................75 3.2.2 Pilotexperimente zur DNA-Sequenzierung..................................................77 3.2.2.1 Chloroplasten-DNA-Regionen .............................................................77 3.2.2.2 Mitochondrien-DNA-Regionen .............................................................81 3.2.3 AFLP-Phylogenie der Gattung Fosterella ....................................................83 3.2.3.1 Distanzanalysen ..................................................................................85 3.2.3.2 Cophänetische Koeffizientenanalyse ...................................................92 3.2.3.3 Hauptkoordinatenanalyse ....................................................................92 3.2.3.4 Maximum Parsimonie-Analyse ............................................................93 3.2.4 Sequenzanalyse der Chloroplasten-DNA....................................................95 3.2.4.1 Einzeldatensätze .................................................................................95 3.2.4.2 Kombination der Einzeldatensätze.....................................................102 4 Diskussion..............................................................................................................114 4.1 Methodische Aspekte .......................................................................................114 4.1.1 DNA-Isolation............................................................................................114 4.1.2 AFLP-Fingerprinting..................................................................................115 4.1.3 Vergleichende Sequenzierung ..................................................................118 4.1.4 Datenauswertung......................................................................................120 4.1.4.1 Vor- und Nachteile verschiedener Datenanalyseverfahren ................120 4.1.4.2 AFLP-Daten.......................................................................................124 4.1.4.3 DNA-Sequenzdaten...........................................................................126 4.1.4.4 Differenzen zwischen AFLPs und Sequenzdaten ..............................127 4.2 Molekulare Systematik (Phylogenie) der Gattung Fosterella .............................128 4.2.1 Auswahl der Taxa .....................................................................................128 4.2.2 Stellung der Gattung Fosterella in der Familie der Bromeliaceae..............129 4.2.3 Artengruppen innerhalb der Gattung Fosterella ........................................130 4.2.4 Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb der Gattung, ihre Evolution und Biogeographie...........................................................................................141 5 Zusammenfassung ................................................................................................145 6 Ausblick..................................................................................................................148 7 Literaturverzeichnis...............................................................................................149 8 Abbildungsverzeichnis..........................................................................................164 9 Tabellenverzeichnis...............................................................................................166 10 Abkürzungsverzeichnis.........................................................................................167 11 Anhang ...................................................................................................................169 4 Einleitung 1 Einleitung Die Familie der Bromeliaceae wurde 1789 vom französischen Botaniker Antoine Laurent de Jussieu (1748-1826) erstmals beschrieben. Er benannte sie nach dem schwedischen Arzt und Botaniker Celia Olaf Bromell (1639-1705) (z. B. Simpson 2006). Bei den Bromeliaceae handelt es sich um eine fast ausschließlich neuweltliche Pflanzenfamilie, die von den Südstaaten der USA bis nach Südchile