Die Arten der Familie der Dipterocarpaceaen (Flügelfruchtgewächse) sind in der Region Malesien die Hauptbaumarten in Bezug auf Holzgewinnung. Die geografische Verbreitung der Pflanzenfamilie erstreckt sich bis Südamerika und Afrika. Die Familie umfasst etwa 500 Arten in 17 verschiedenen Gattungen und ist unterteilt in drei Unterfamilien: Dipterocarpoideae, Monotoideae und Pakaraimoideae (Ashton, 1982). Dipterocarpoideae ist mit 470 Arten in 13 Gattungen die artenreichste Unterfamilie (Ashton, 1982). Sie ist noch einmal unterteilt in zwei Triben: Dipterocarpeae und Shoreae. Dipterocarpeae umfasst die Gattungen Anisoptera, Cotylelobium, Dipterocarpus, Stemonoporus, Upuna, Vateria und Vateriopsis, Shoreae die Gattungen Dryobalanops, Hopea, Neobalanocarpus, Parashorea und Shorea. Shorea und Hopea sind mit 169, bzw. 100 Arten die artenreichsten Gattungen.
Studien zur molekularen Phylogenie der Unterfamilie Dipterocarpoideae werden bereits seit 1998 durchgeführt, besonders an der Gattung Shorea und ihren Schwestergattungen im Tribus Shoreae, da diese Gattung die höchste Artenzahl aufweist und von allen Dipterocarpaceaen das wertvollste Holz liefert. Viele dieser Arten sind vom Aussterben bedroht. Ziel von Untersuchungen zur molekularen Phylogenie ist die Vervollständigung von Phylogenien, die auf morphologischen Merkmalen beruhen, da die Einordnung von einigen Gattungen im Tribus Dipterocarpoideae noch immer zur Diskussion steht. Die Klassifizierung von Shorea in dieser Untersuchung bezieht sich auf Ashton (1982) und Symington (1943). Symington (1943) unterteilt Shorea basierend auf der Farbe des Holzes (White Meranti, Yellow Meranti, Balau und Red Meranti). Ashton (1982) hat die Klassifizierung von Symington (1943) grundsätzlich beibehalten, aber einige der Gruppen wurden in niedrigere taxonomische Ränge neu klassifiziert.
Die Nachfrage nach Identifikationsmöglichkeiten für Dipterocapaceaen zur Vermeidung von Betrug bei der Zertifizierung von Holz hat zu einer Verbesserung moderner Identifikationssysteme geführt, die auch molekulare Daten nutzen. Traditionell werden Dipterocarpaceaen anhand von morphologischen Merkmalen identifiziert. Allerdings ist diese Art der Bestimmung ist oft nur eingeschränkt nutzbar, vor allem wenn keine Blüte vorhanden ist, da dies das eindeutigste taxonomische Bestimmungsmerkmal bei Dipterocarpaceaen ist.
Die große Menge molekularer Daten und die fortschrittlichen Technologien im Bereich der DNA-Sequenzierung ermöglichten es dem DNA-Barcoding zu einer weitverbreiteten Technik für verschiedene taxonomische Studien zu werden. Dabei will es die traditionelle Taxonomie nicht ersetzen, sondern ergänzen und den Identifikationsvorgang beschleunigen. Zusätzlich ermöglicht die große Anzahl an verfügbaren Sequenzen in öffentlichen Datenbanken, wie z.B. die NCBI-Datenbank, die Entwicklung eines molekularen taxonomischen Schlüssels, einem neuen Konzept der Artidentifikation. Allerdings sind die Methoden des DNA-Barcoding noch immer in ihren Anfängen, so wird z.B. die Datenbank für das Projekt DNA Barcoding zurzeit noch eingerichtet.
Diese Studie hat zum Ziel, mithilfe von vier Chloroplastenregionen (trnL intron, psbC-trnS IGS, matK und rbcL) die phylogenetischen Beziehungen in der Unterfamilie Dipterocarpoideae zu erschließen, sowie die Einordnung der verschiedenen Gattungen. Zusätzlich prüft diese Untersuchung auch die Eignung der beiden Barcoding-Regionen matK und rbcL, die vom Konsortium Barcode of Life (CBOL) im Jahr 2009 vorgeschlagen wurden. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung eines taxonomischen Identifizierungsschlüssels für die Identifizierung von Arten basierend auf der phylogenetischen Analyse.
Alle Sequenzen von Dipterocarpaceaen, die in der NCBI-Datenbank hinterlegt sind, wurden für vier Chloroplastenregionen (trnL intron, psbC-trnS IGS, matK und rbcL) abgerufen. Zusätzlich zu den Sequenzen aus der NCBI-Datenbank wurden für die Untersuchung auch Proben sequenziert, die in der Abteilung Forstgenetik und Forstpflanzenzüchtung der Universität Göttingen zur Verfügung standen, um eine höchstmögliche Zahl von unterschiedlichen Arten untersuchen zu können.
Für die phylogenetischen Analysen wurde die Software MEGA 5 verwendet und die statistischen Methoden maximum parsimony (MP), maximum likelihood (ML) und neighbor joining (NJ). Für die DNA-basierte Identifizierung wurde die Eignung von zwei Barcoding-Regionen mithilfe von nBLAST getestet. Die phylogenetische Analyse wurde unter Verwendung der neighbor joining-Methode durchgeführt.
Es war für eine große Anzahl von Arten möglich, Sequenzen von den oben genannten Chloroplastenregionen zu erhalten: 145 Arten für trnL intron, 117 Arten für psbC-trnS IGS, 116 Arten für matK und 69 Arten für rbcL. Die Länge der Sequenzen für die verschiedenen Regionen variierte, 537 bp, 1136 bp, 653 bp und 647 bp für die Regionen trnL intron, psbC-trnS IGS, matK bzw. rbcL.
Die verschiedenen Methoden MP, ML und NJ für die phylogenetischen Analysen erzeugten sehr ähnliche Baumtopologien. Daher basiert die Diskussion vor allem auf den Ergebnisse der MP-Methode. Grundsätzlich war es nicht möglich, die evolutionären Beziehungen der Unterfamilie der Dipterocarpoideae anhand der vier Chloroplastenregionen eindeutig zu entschlüsseln. Die Regionen ermöglichten nur eine Aufklärung der Triben Dipterocarpeae und Shoreae, waren aber innerhalb der Triben deutlich weniger erfolgreich, vor allem in Bezug auf Shoreae. Für die Gattung Dipterocarpus stehen bisher nur Sequenzdaten der Regionen trnL intron und matK zur Verfügung. In dieser Studie wurden für beide Regionen eindeutig abgrenzbare Gruppen von Arten entdeckt. Es wird vermutet, dass Dipterocarpus die basale Gruppe der Dipterocarpoideae repräsentiert (Meijer, 1979). Diese Gattung hat der Familie auch ihren Namen gegeben, möglicherweise weil sie als eine sehr ursprüngliche Gruppe innerhalb der Dipterocarpaceaen gilt (Maury – Lechon, 1979). Auch ist diese Gattung innerhalb der Familie der Dipterocarpaceaen eindeutig definiert, basierend auf morphologischen Merkmalen und molekularen Analysen.
Die Analysen der Region psbC-trnS IGS bestätigten die Ergebnisse von Symington (1943) basierend auf der Farbe des Holzes dahingehend, dass die Gattung Shorea eine monophyletische Gruppe bildet. Durch die Analyse der Region matK war es am ehesten möglich, die Beziehungen innerhalb des Tribus Dipterocarpeae zu beschreiben und die Sektion Doona innerhalb der Gattung Shorea als monophyletische Gruppe abzugrenzen. Allerdings war diese Region nicht geeignet für die weitere Klassifizierung innerhalb des Tribus Shoreae. Obwohl die Region rbcL die erste Chloroplastenregion ist, die sequenziert wurde, sind in der NCBI-Datenbank nur wenige Sequenzen verfügbar. Die Ergebnisse basierend auf den eigenen Labordaten führten zu dem Schluss, dass diese Region nicht geeignet ist, um die evolutionären Beziehungen der Dipterocarpoideae unterhalb der Gattungsebene aufzuzeigen. Die Region matK zeigte in dieser Untersuchung eine nahe Verwandtschaft zwischen den Gattungen Dryobalanops und Dipterocarpus, während die Region trnL intron eher darauf hindeutete, dass Dryobalanops eine Verwandtschaft zur Sektion Balau aus der Shorea-Gruppe aufweist. Diese gegensätzlichen Ergebnisse unterstützen die Annahme von Indrioko (2005), dass diese Gattung eine basale Gruppe des Tribus Shoreae ist.
Die Artidentifizierung basierend auf DNA-Daten wurde anhand von zwei Vorgehensweisen untersucht, DNA-Barcoding und ein molekularer taxonomischer Identifizierungsschlüssel. Die zwei Barcode-Regionen matK und rbcL, übernommen vom Consortium for the Barcode of Life für Landpflanzen (Hollingsworth et al., 2009), wurden auf ihre Eignung als Barcoding-Regionen für die Unterscheidung der Dipterocarpaceae geprüft. Die meisten benötigten Informationen für die Region matK waren in der NCBI-Datenbank vorhanden, aber es wurden auch einige zusätzliche Proben in dieser Studie verwendet. Insgesamt wurden 119 bzw. 67 Proben für die Untersuchung der Region matK bzw. rbcL, verwendet. Für die Beurteilung der Effektivität der Barcoding-Analyse in dieser Untersuchung wurden zunächst mithilfe von neighbor joining-Bäumen monophyletische Gruppen einmal für die Eingabesequenzen und einmal für die Referenzsequenzen, die in der NCBI-Datenbank hinterlegt sind, identifiziert. Unter Verwendung von nBLAST wurde dann nach Ähnlichkeiten zwischen den Eingabesequenzen aus dem Labor und den Sequenzen aus der NCBI-Datenbank gesucht. Obwohl der neighbor joining-Baum einige der Sequenzen in die korrekte Gattung eingeordnet hat, konnte diese Region keine drei klar abgetrennten Gruppen für die Gattungen Shorea, Hopea und Parashorea erstellen. Die nBLAST-Analyse ergab für die meisten Eingabesequenzen auf der Artebene eine falsche Identifizierung. Aufgrund der fehlenden Unterscheidung zwischen Arten durch die Region matK, was nicht nur durch die Ergebnisse des nBLAST, sondern auch durch die phylogenetische Analyse deutlich wurde, und der Probleme bei der Amplifizierung ist diese Region ungeeignet als Barcoding-Region für die Familie der Dipterocarpaceaen. Über die Region rbcL kann keine weitere Aussage gemacht werden, da nur wenige Sequenzen für diese Region in der Datenbank verfügbar waren. Allerdings konnte die neighbor joining-Analyse zeigen, dass diese Region erfolgreich auf der Gattungsebene unterscheidet, aber nicht auf der Artebene.
Das DNA-basierte Identifizierungsverfahren unter der Verwendung eines taxonomischen Identifizierungsschlüssels kann noch nicht ausreichend zwischen Arten unterscheiden. Viele verschiedene Arten mit dem gleichen Haplotypen wurden bei der Erstellung des Schlüssels gefunden. Ein möglicher Grund ist die Verwendung der Region trnL intron für die Erstellung des Schlüssels. Taberlet (2007) berichtet, dass diese Region nicht effektiv ist bei der Unterscheidung zwischen nah verwandten Arten.
Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-goettingen.de/oai:ediss.uni-goettingen.de:11858/00-1735-0000-0001-BAFE-2 |
Date | 09 January 2013 |
Creators | Harnelly, Essy |
Contributors | Finkeldey, Reiner Prof. Dr. |
Source Sets | Georg-August-Universität Göttingen |
Language | English |
Detected Language | German |
Type | doctoralThesis |
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