Charakterisierung der genetischen Strukturen der Bestände

Grundlage für die Bearbeitung von Fragestellungen im Zusammenhang mit dem Reproduktionssystem von A. campestre ist zunächst die allgemeine genetische Charakterisierung der zu untersuchenden Vorkommen. Einfache Parameter wie die Anzahl der pro Genort beobachteten Allele, die allelische Diversität, der mittlere Heterozygotenanteil oder die Differenzierung innerhalb der Bestände vermitteln eine Vorstellung von der vorhandenen genetischen Variation.

3.2.1.1 Material und Methode Material

Von den 31 Individuen des Bestandes „Forstbotanischer Garten” wurden 15 Bäume im Jahr 1998 und 24 Bäume im darauffolgenden Jahr beerntet (578 bzw. 708 Samen). Im Bestand „Gartetal” konnten von 51 der 87 Bäume Samen geworben werden (1501 Samen). Für die Untersuchung des Altbestandes wurde Knospenmaterial verwendet. Samen und Knospen wurden, wie in Kapitel 3.1 beschrieben, mittels horizontaler Stärkegel-Elektrophorese untersucht. Auf der Basis dieser Daten wurde die nachfolgend beschriebene Analyse durchgeführt.

Datenanalyse

Die Datenanalyse wurde mit dem von GILLET (1998) entwickelten statistischen Auswertungsprogramm GSED (Genetic Structures from Electrophoresis Data) vorgenommen. Die für die Charakterisierung der Versuchsbestände verwendeten genetischen Parameter werden im folgenden kurz beschrieben (s. dazu HATTEMER et al. 1993).

Unter der allelischen Vielfalt versteht man die Anzahl n der an einem Genort auftretenden Allele. Bei Betrachtung mehrerer Genorte wird sie auch als durchschnittliche Anzahl der Allele pro Locus A/L angegeben. Als genische Vielfalt bezeichnet man entsprechend die Anzahl der insgesamt auftretenden Allele. Dieses Maß reagiert stark auf die Stichprobengröße und ist insbesondere abhängig von der Art und Anzahl der untersuchten Genorte.

Die allelische Diversität υ eines Genortes gibt Auskunft über die Dispersion der Häufigkeits-verteilung genetischer Varianten und beschreibt damit die Anzahl effektiver Allele (GREGORIUS 1978).

Unter effektiven Allelen werden diejenigen verstanden, die mit wesentlich von Null verschiedenen Häufigkeiten auftreten. Sind an dem betrachteten Genort zwei Allele gleich häufig, so wird υ = n, d.h.

die Diversität ist in diesem Fall gleich der Anzahl der Allele. Der Minimalwert υ = 1 wird dann erreicht, wenn der betrachtete Genort fixiert ist. Bei Betrachtung mehrerer Genorte läßt sich die genische Diversität als die mittlere effektive Anzahl von Allelen berechnen.

Mit dem genetischen Abstand d (G^REGORIUS 1974) und der Populationsdifferenzierung Dj (G^REGORIUS and R^OBERDS 1986) werden die genetischen Unterschiede zwischen zwei oder mehr als zwei Kollektiven quantifiziert. Der allelische Abstand d0 mißt den Anteil der Allele zweier Kollektive, den man austauschen müßte, um aus der allelischen Struktur des einen die des anderen entstehen zu lassen. Sind die genetischen Strukturen zweier Kollektive identisch, so wird der genetische Abstand d = 0; haben sie kein Element gemeinsam, so ist d = 1. Der Genpool-Abstand mißt entsprechend die Differenzierung des an mehreren Genloci vorhandenen Allelbestands von zwei Kollektiven.

Unter der Differenzierung Dj eines Kollektivs von mehreren anderen wird der Anteil an genetischen Varianten verstanden, durch deren Besitz sich das eine Kollektiv von seinem Komplement, d.h. der Vereinigungsmenge aller anderen, unterscheidet. Die mittlere Differenzierung δ gibt an, wie stark die Kollektive im Mittel von dem jeweiligen Komplement der übrigen Kollektive differenziert sind.

Das Konzept der Differenzierung läßt sich auch zur Beschreibung der Variation innerhalb einer zu charakterisierenden Einheit verwenden, indem die genetischen Abstände jedes einzelnen Individuums von allen anderen Individuen gemessen werden. Aus dem mittleren Abstand aller Individuen von ihren Komplementen errechnet sich die Gesamtdifferenzierung δT. Sie kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen: Besitzen alle Individuen eines Kollektivs an den betrachteten Genorten die gleichen Allele, so ist δ_T = 0; der Maximalwert von δ_T = 1 wird dann erreicht, wenn sich jedes Individuum an den betrachteten Genorten von allen anderen unterscheidet.

Der Heterozygotenanteil H eines Kollektivs ist der relative Anteil der heterozygoten Genotypen an einem Genort. Bei Betrachtung mehrerer Genorte erhält man als arithmetisches Mittel über diese Loci den mittleren Heterozygotenanteil Ha.

3.2.1.2 Ergebnisse

In den Tabellen 3.2 bis 3.5 sind die Ergebnisse der Datenanalyse zur Beschreibung der genetischen Variation innerhalb der Versuchsbestände aufgelistet. Obwohl zwischen den beiden Beständen Unterschiede bezüglich der Anzahl auftretender Allele oder abgeleiteter genetischer Parameter feststellbar sind, ist ein direkter Vergleich der Datensätze aus verschiedenen Gründen wenig informativ. Insbesondere ist zu bedenken, daß es sich hier nicht um natürliche Populationen, sondern um Anpflanzungen handelt und deshalb solche Unterschiede allein aufgrund der entsprechenden genetischen Zusammensetzung des Ausgangsmaterials zustandekommen können. Weiterhin ist aufgrund der unterschiedlichen Individuenzahl in beiden Beständen zu erwarten, daß nicht alle Varianten in beiden Kollektiven auftreten.

Das Kollektiv der Altbäume repräsentiert jeweils den Gesamtbestand, während das Kollektiv der Samen die Nachkommenschaften nur eines Teils der Altbäume umfaßt. Auch die genetischen Strukturen der Samen in den Vegetationsperioden 1998 und 1999 im Bestand „Forstbotanischer Garten” sind nicht direkt miteinander zu vergleichen, da die Sameneltern der untersuchten Nachkommenschaften nicht identisch sind. Ein Vergleich der in beiden Jahren gleichermaßen untersuchten Nachkommenschaften wird in Abschnitt 3.2.2 vorgenommen.

Genetische Inventuren an Enzymgenloci 21

Tab. 3.2: Anzahl Allele pro Genort (A/L) in den Beständen „Forstbotanischer Garten” in den Jahren 1998 und 1999, sowie im Bestand „Gartetal” im Jahr 1998. Angegeben sind jeweils die Zahlen für den Altbestand und die untersuchten Nachkommen (Samen); fettgedruckte Zahlen zeigen ein nachgewiesenes Nullallel am entsprechenden Genort an; die Werte für den Genpool berechnen sich als arithmetisches Mittel der Anzahl der Allele an den zehn Genorten.

Allele pro Genlocus A/L

„Forstbotanischer Garten” „Gartetal”

Altbäume Samen 1998 Samen 1999 Altbäume Samen 1998

PGI-B 4 4 4 4 4

Tab. 3.3: Allelische Diversität υ der Altbäume der Bestände „Forstbotanischer Garten” und „Gartetal”, sowie der untersuchten Nachkommen (Samen) in den Jahren 1998 und 1999; die Werte für den Genpool berechnen sich als harmonisches Mittel der Diversitäten an den zehn Genorten.

Allelische Diversität υ

„Forstbotanischer Garten” „Gartetal”

Altbäume Samen 1998 Samen 1999 Altbäume Samen 1998

PGI-B 1,881 1,519 1,670 1,651 1,665 PGM-B 1,568 1,340 1,462 1,220 1,296 PGM-C 2,128 2,115 2,095 1,892 2,271 GOT-B 1,067 1,051 1,045 1,072 1,123 GOT-C 1,371 1,393 1,386 1,504 1,313 IDH-A 1,000 1,000 1,000 1,035 1,068

AP-A 1,264 1,446 1,419 1,253 1,189

AP-B 1,936 1,731 1,742 1,754 1,831

AP-C 1,349 1,320 1,315 1,370 1,479

ADH-B 1,641 1,258 1,356 1,317 1,385 Genpool 1,436 1,357 1,386 1,356 1,392

Tab. 3.4: Gesamtdifferenzierung δT innerhalb der Bestände. Angegeben sind die Werte für die Altbäume der Bestände „Forstbotanischer Garten” und „Gartetal”, sowie für die untersuchten Nachkommen (Samen) in den Jahren 1998 und 1999; Genpool-Werte berechnen sich als arithmetisches Mittel der Werte für die zehn Genorte.

Gesamtdifferenzierung δT

„Forstbotanischer Garten” „Gartetal”

Altbäume Samen 1998 Samen 1999 Altbäume Samen 1998

PGI-B 0,476 0,342 0,401 0,397 0,399 PGM-B 0,368 0,254 0,316 0,181 0,229 PGM-C 0,539 0,528 0,523 0,474 0,560 GOT-B 0,063 0,049 0,043 0,067 0,109 GOT-C 0,275 0,283 0,279 0,337 0,238 IDH-A 0,000 0,000 0,000 0,034 0,064

AP-A 0,213 0,309 0,296 0,203 0,159

AP-B 0,491 0,423 0,426 0,432 0,454

AP-C 0,263 0,243 0,240 0,272 0,324

ADH-B 0,397 0,205 0,263 0,242 0,278 Genpool 0,309 0,263 0,279 0,264 0,281

Tab. 3.5: Mittlerer Heterozygotenanteil Ha der Altbäume der Bestände „Forstbotanischer Garten” und

„Gartetal”, sowie der untersuchten Nachkommen (Samen) in den Jahren 1998 und 1999; die Werte für den Genpool berechnen sich als arithmetisches Mittel der Heterozygotenanteile an den zehn Genorten.

Mittlerer Heterozygotenanteil Ha

„Forstbotanischer Garten” „Gartetal”

Altbäume Samen 1998 Samen 1999 Altbäume Samen 1998

PGI-B 0,419 0,344 0,445 0,310 0,356 PGM-B 0,387 0,230 0,258 0,184 0,190 PGM-C 0,516 0,441 0,483 0,437 0,571 GOT-B 0,065 0,046 0,044 0,057 0,112 GOT-C 0,129 0,243 0,208 0,230 0,190 IDH-A 0,000 0,000 0,000 0,034 0,055

AP-A 0,161 0,317 0,270 0,195 0,083

AP-B 0,516 0,376 0,368 0,552 0,422

AP-C 0,194 0,194 0,178 0,230 0,316

ADH-B 0,323 0,219 0,243 0,195 0,264 Genpool 0,271 0,241 0,250 0,242 0,256

Bei einem Vergleich der Anzahl der Allele pro Genort des Kollektivs der Altbäume und des entsprechenden Kollektivs der Samen fällt die durchschnittlich höhere Anzahl nachgewiesener Allele unter den Nachkommen auf. Da es sich bei beiden Beständen um Vollaufnahmen handelt, liefert bereits dieses einfache Maß Hinweise auf Pollentransport von außerhalb des Bestandes. Dies äußert sich im Bestand „Forstbotanischer Garten” wesentlich deutlicher als im Bestand „Gartetal”, denn zum einen ist die Gesamtzahl der Altbäume und damit auch die Zahl der in der Elterngeneration vertretenen Allele geringer, zum anderen ist dieser Bestand reproduktiv weniger stark isoliert. Mit einer Ausnahme sind alle Allele der Altbäume auch unter den Nachkommen vertreten; lediglich am Genort PGI-B in der Vegetationsperiode 1998 sind die jeweils vier nachgewiesenen Allele nicht identisch. Während im Kollektiv der Altbäume die Allele B2, B3, B4 und B5 vertreten sind, konnten in den untersuchten Nackommenschaften die Allele B1, B2, B4 und B5 beobachtet werden¹.

Die Anzahl effektiver Allele υ liegt bei Altbäumen und Samen in beiden Bestände zwischen υ = 1,356 und υ = 1,436 im Mittel aller Genorte. Der Mittlere Heterozygotenanteil beträgt etwa 25 %, und die Gesamtdifferenzierung des Genpools nimmt innerhalb der Bestände Werte zwischen δT = 0,263 und δT = 0,309 ein.

1 Von Baum 22 als Träger des Allels 3 ließen sich im Jahr 1998 aufgrund geringer Samenproduktion keine Samen ernten.

Genetische Inventuren an Enzymgenloci 23