| Summary: | Während der langen Eiszeiten des Quartärs waren die Europäischen Wälder stärker eingeengt als heutzutage, wegen dem Mittelmeer im Süden und der unwirtlichen Umweltbedingungen im Norden. Zwei ökologisch wichtige Baumarten der Gattung Populus: Weisspappel (Populus alba, L.) und Zitterpappel (Populus tremula, L.), sind entlang von Europäischen Auwaldlandschaften beziehungsweise in angrenzenden höher gelegenen Wäldern verbreitet. Beide haben ihr natürliches Verbreitungsgebiet nach der letzten Eiszeit auf ihr heutiges Areal ausgedehnt. Fehlende Pollendaten für Pappeln erschwert die Suche nach Glazialrefugien – diese Refugien werden in Südeuropa vermutet, jedoch fehlen bislang überzeugende Beweise für diese Hypothese. Das Hauptziel des ersten Kapitels war die Klärung der postglazialen Rückwanderung nach der letzten Eiszeit und die Rekonstruktion von Refugien von P. alba und P. tremula im Licht von Hybridisierung der beiden Arten. Ich untersuchte 26 Populationen aus Mittel- und Südosteuopa mithilfe von mütterlich vererbten Chloroplastenmarkern (cpDNA). Phylogeografische Strukturen wurden für P. alba gefunden, mit niedriger Diversität in Osteuropa und hoher Diversität in Italien und Mitteleuropa. Für P. tremula wurde keine Struktur gefunden, was bei einer borealen Baumart durchaus erwartet werden kann. Zwei Hauptrefugien können demnach für P. alba in Italien und Rumänien vermutet werden, hingegen hat P. tremula ihre heutigen Standorte in Mitteleuropa von mehreren Refugien nahe am früheren Eisschild zurückerobert. Ich vermute deshalb gesonderte Refugien für P. alba und P. tremula und schlage ein Immigrationsszenario vor, das die Vermischung der Wanderungswege und interspezifische Introgression für das beobachtete Muster verantwortlich macht. Um zu testen, ob dieses Muster geeignet ist, um Individuen einer bestimmten Population zuzuordnen, wurde die genetische Diversität von P. alba auf Malta untersucht. Insgesamt wurden 38 Proben von den beiden benachbarten Inseln und Nachbarregionen innerhalb des Mittelmeergebietes getestet. Die Untersuchung mittels Kernmikrosatelliten (nuSSR) ergab, daß die 28 untersuchten Bäume von Malta einen Klon darstellten. Chloroplastenmarker deuten auf die Verwandtschaft des Klons mit italienischen P. alba Proben hin. Allerdings stammt väterlicher Anteil vermutlich auch von Pollen aus Nordafrikanischen Populationen. P. alba gibt es auf Malta vermutlich seit dem16. Jh. Wahrscheinlich sind menschliche Aktivitäten und die Funktion des Baumes als Zierpflanze für dessen Ursprung und Verbreitung auf Malta verantwortlich. Um einen formalen Weg zu finden, Individuen den Arten und dem Hybriden bei Beprobungen in Hybridzonen zuzuordnen, wurden morphologische Merkmale getestet. Hierbei wurde versucht abzuschätzen, inwiefern blattmorphologische Merkmale für die Artzuordnung brauchbar waren, zugleich aber sollten es einfache Merkmale sein, die auch im Freiland gemessen werden können. Ich stelle eine Methode vor, die P. alba, P. ×canescens (Aiton, Sm) und P. tremula in einer Hybridzone in Österreich unterscheiden kann. Dabei wird die „Gelapptheit“ der Blätter gemessen, und unterstützt von zwei zusätzlichen Merkmalen identifizieren diese den Hybriden P. ×canescens. Die Anmerkung in der Literatur, daß “Gelapptheit” ein ausgeprägtes Merkmal für die Weißpappel ist, kann nun über den HF-index und das L1/L2 Verhältnis gemessen werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, daß die zweistufige Vorgehensweise zur Probensammlung erfolgreich war, um die Heterophylie zu behandeln. Hier wurden die nützlichsten Zweigtypen für Morphometrie in den untersuchten Arten identifiziert. Für die Hybridsierung von zwei Pflanzenarten müssen diese in ihren Blütezeiten überlappen. P. alba und P. tremula sind diözische Bäume, die mehrere Hybridzonen in Europa bilden. Hier verwendete ich einen kleinräumigen Ansatz, um präzygotische Barrieren für den Genfluß zu studieren, der auf blühphänologischen Beobachtungen basiert. Die Beobachtungen dazu wurden in zwei aufeinanderfolgenden Jahren auf drei Standorten und insgesamt an 27 Bäumen durchgeführt. Die Gesamtblühdauer variierte zwischen Individuen und Jahren. Jedoch blühten in beiden Jahren die männlichen Bäume vor den weiblichen in beiden Arten und auf allen Standorten (sog. „Protandrie“). Lokales Klima und unterschiedliche Standortseigenschaften ermöglichten ein Überlappen der Blühzeiten der beiden Arten. Insgesamt wurden keine sehr starken Barrieren gegenüber Genfluß beobachtet, jedoch beeinflussen jährliche Kimavariationen dieses Muster. Um postzygotische Barrieren gegenüber Genfluß zu testen, untersuchte ich die Interaktion zwischen zytoplasmatischen und nuklearen Genmarkern. In dieser Studie wurde cpDNA und Kern-DNA von insgesamt 541 Individuen aus 23 Populationen von P. alba und P. tremula aus Mitteleuropa untersucht. Innerhalb von P. alba wurden stärkere geografische Strukturen gefunden, als für P. tremula, vermutlich aufgrund von Wiedereinwanderung aus unterschiedlichen Glazialrefugien. Im Gegensatz dazu war die Variation der cp-DNA einheitlicher über die untersuchten Populationen verteilt. Hybridisierung wurde in beide Richtungen in den Kontaktzonen der beiden Arten beobachtet und die meisten Hybriden waren aus der F1 oder F2 Generation. Signifikante zytonukleare Interaktionen wurden innerhalb der Hybride und in P. alba an sechs beziehungsweise vier Kernmarkern festgestellt. Obwohl Faktoren wie nicht-zufällige Paarung und Migration eine Rolle spielen können, wirken diese eher auf alle Genorte gleichzeitig. Daher sind wahrscheinlich selektive Mechanismen eine bessere Erklärung für die beobachteten Muster. Kopplung von Mikrosatelliten mit bestimmten Genen, die in zytonukleare Interaktionen involviert sind, könnten das beobachtete Ungleichgewicht erzeugt haben; speziell in Hybriden der ersten Generationen, die relativ große Chromosomenblöcke enthalten, die sie von ihren Elternarten geerbt haben. During the long glacial periods of the Quaternary, European forests were considerably more restricted than today because of the Mediterranean Sea in the south and unsuitable environment in the north. Two ecologically important tree species of the genus Populus: the white poplar (Populus alba, L.) and the European Aspen (Populus tremula, L.), are distributed along European floodplain areas and adjacent upland forests, respectively. Both have extended their natural ranges to the present area after the last glaciation. Lacking fossil pollen data for poplar hampers the search for glacial refugia – these refugia are assumed in South-eastern Europe, but there is no convincing proof of this hypothesis yet. The central aim of the first chapter was to clarify the picture of postglacial recolonisation and the reconstruction of refugia of P. alba and P. tremula in the light of hybridisation of the two species. I investigated 26 populations located in Central and South-eastern Europe using maternally inherited chloroplast (cp) markers. Phylogeographic structure was found for P. alba with low diversity in Eastern Europe versus high diversity in Italy and Central Europe. In contrast, lack of phylogeographic structure seems to prevail for P. tremula, as can be expected for a boreal forest tree. Two main refugia were identified for P. alba in Italy and Romania, but in contrast P. tremula probably recolonised its present habitats in Central Europe from several refugia near the former ice cap. I assume separate disconnected refugia for P. alba and P. tremula and suggest an immigration scenario involving the mixing of colonization routes and interspecific introgression to be responsible for the observed patterns. In order to test whether these patterns can be useful in assigning individuals to populations, the genetic diversity of P. alba of Malta was assessed. Altogether 38 samples from the two different, although neighbouring islands of Malta and adjacent regions within the Mediterranean were analysed. Nuclear microsatellite analysis (nuSSR) revealed that the 28 sampled trees of Malta belonged to one clone. Chloroplast data suggested relatedness of the Maltese clone to Italian P. alba samples. However, nuclear data revealed additional admixture through pollen from North Africa. Human activities for ornamental purposes can be considered the main cause for introducing this clone in the 16th century. In order to find a more formal way of assigning individuals to species and hybrids when sampling individuals within hybrid zones, morphological traits were tested. The main purpose of assessing the utility of leaf morphological parameters for species assignment was to establish an easy measurable trait, which can be applied in the field. I present a method of separating P. alba, P. ×canescens (Aiton, Sm) and P. tremula in an Austrian hybrid zone using the degree of "lobedness" of the leaves, supported by two additional parameters, which identify P. ×canescens, the hybrid taxon. The statement in the literature that “lobedness” is a distinctive character in white poplar is now measurable by the HF index and the L1/L2 ratio. Furthermore, the two-step sampling approach was successful in dealing with heterophylly and identifying the most valuable type of shoot for morphometry in the studied taxa. Another aspect of hybridisation in nature is that plant species have to overlap in their flowering time in order to hybridise. P. alba and P. tremula are dioecious trees occurring in several hybrid zones across Europe. Here I used a small scale approach to study prezygotic barriers to gene flow based on flowering phenological observations. Flowering assessment was carried out in two consecutive years in three study plots and a total of 27 trees. Overall flowering period varied between individuals and years. However, in both years male trees started flowering earlier than females of both species on each site (protandry). Here, overlapping flowering times due to local climatic and site conditions between species on different sites facilitated hybridisation. In fact, I observed not very strong barriers to gene flow, although year to year climatic variation can influence this pattern. In order to test for postzygotic barriers to gene flow I studied the interaction between cytoplasmic and nuclear gene markers. Chloroplast and nuclear DNA of altogether 541 individuals in 23 populations of P. alba and P. tremula in Central Europe were investigated. Within P. alba, stronger geographic structuring was found compared to P. tremula based on cpDNA and twenty nuSSRs, presumably due to recolonisation from disconnected glacial refugia. Conversely, in P. tremula genetic variation was more evenly distributed across the studied populations. Hybridisation was observed in both directions in zones of contact. Significant cytonuclear interactions were detected within hybrids (P. ×canescens) and P. alba at six and four nuclear loci, respectively. Although factors like assortative mating and migration may play a role in their origin, those are likely to affect all loci. Thus, selective mechanisms are a more likely explanation for these patterns. Linkage of microsatellite markers to certain genes involved in cytonuclear processes might cause the observed disequilibria, especially in early generation hybrids carrying relatively large chromosome blocks inherited from each parental species.
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