Genetic variation of the genus <i>Shorea</i> (Dipterocarpaceae) in Indonesia | Genetische Variation bei <i>Shorea</i> (Dipterocarpaceen) Indonesiens

Diese Dissertation besteht aus drei Hauptteilen, die auf der Nutzung der AFLP Technik zur Untersuchung genetischer Variation indonesischer Dipterocarpaceen, die eine dominante Familie in den Tropenwäldern Asiens sind, basieren: (1) genetische Variation von AFLPs bei indonesischen Dipterocarpaceen und ihre Beziehung zu molekularen Phylogenien und zur taxonomischen Untergliederung der Familie; (2) genetische Diversität innerhalb von und zwischen Populationen von zwei häufigen Dipterocarpaceen Indonesiens, Shorea leprosula Miq. und S. parvifolia Dyer; (3) genetische Variation innerhalb von Populationen bei neun Shorea-Arten Indonesiens. Teil 1: Einundachtzig Individuen, die 54 verschiedenen Arten aller neun in Indonesien heimischen Gattungen der Dipterocarpaceae (Unterfamilie Dipterocarpoideae) repräsentieren, wurden an 125 AFLP-Genorten untersucht, um die genetische Differenzierung zwischen den Arten zu erkennen. Das Dendrogramm auf der Grundlage der genetischen Ähnlichkeiten trennt alle untersuchten Individuen in zwei Gruppen. Eine Gruppe enthält die den Dipterocarpeae zugehörigen Arten mit einer Chromosomenanzahl von x = 11, die andere Gruppe umfasst die Shoreae-Arten mit der Chromosomenanzahl x = 7. Die an AFLPs beobachtete genetische Variation stimmt mit der Topologie phylogenetischer Bäume auf der Basis von PCR-RFLPs und Sequenzanalysen von Chloroplasten-DNS (cpDNS) grundsätzlich gut überein und stützt die gängige taxonomische Untergliederung der Dipterocarpoideae. Teil 2: AFLPs wurden zur Charakterisierung genetischer Variation innerhalb von und zwischen Populationen der häufigsten Dipterocarpaceen Indonesiens, Shorea leprosula Miq. und S. parvifolia Dyer, genutzt. Insgesamt wurden 268 Bäume von natürlichen Populationen Sumatras und Borneos sowie einer Plantage auf Java an 56 AFLP-Genorten untersucht. S. leprosula zeigt etwas höhere genetische Variation als S. parvifolia. Eine Analyse molekularer Varianz (AMOVA) ergab, dass sich 70,2 % der Variation innerhalb von S. leprosula Populationen und 66,2 % innerhalb von S. parvifolia Populationen finden. Die beobachtete genetische Variation entspricht den biologischen Charakteristika der beiden untersuchten Arten. Einige Marker wurden gefunden, die ausschließlich bei einer Art beziehungsweise auf bestimmten Inseln oder in bestimmten Populationen auftraten. Diese Marker eignen sich möglicherweise zur Etablierung von Methoden, um den Ursprung von Holz von einer fraglichen Art oder aus einer fraglichen Region überprüfen zu können. Teil 3: Die genetische Variation von neun Shorea-Arten aus zwei verschiedenen Gebieten, nämlich Nanjak Makmur auf Sumatra und Sumalindo auf Kalimantan (Borneo), wurde untersucht. Insgesamt wurden 274 Bäume an 85 AFLP-Genorten beobachtet. Die durchschnittliche Höhe genetischer Variation innerhalb von Populationen war in den beiden Gebieten ähnlich. Die Erwartung, dass die genetische Variation seltener Arten (S. blumutensis und S. dasyphylla) geringer ist als die Variation häufiger Arten (insbesondere S. leprosula und S. parvifolia), wurde nicht bestätigt. Eine AMOVA ergab, dass sich in beiden Regionen der größte Anteil an der beobachteten Variation zwischen den Arten findet (57,7 % in Nanjak Makmur und 56,3 % in Sumalindo ). Ein Dendrogramm illustriert eine nahezu vollständige Separierung der untersuchten Individuen in Gruppen, die den jeweiligen Arten entsprechen. Dies unterstützt die Eignung von AFLPs zur Analyse phylogenetischer Beziehungen zwischen Shorea-Arten und damit die phylogenetische Relevanz der im ersten Teil dargestellten Untersuchung. Artspezifische Marker, die innerhalb einer Art mit einer Häufigkeit von mindestens 80% beobachtet wurden, wurden bei den beiden Arten S. platyclados und S. johorensis beobachtet. Einige Marker zeigten große Variation zwischen den Arten und für die in beiden Regionen untersuchten Arten S. leprosula und S. parvifolia auch zwischen den Regionen. Die Homologie von AFLP-Fragmenten gleicher Größe bei verschiedenen Arten kann durch Sequenzierung überprüft werden. Sequenzinformation kann dann genutzt werden, um spezifische DNS-Marker für die Identifikation des Ursprungs von Holz zu entwickeln. Zusammenfassend ist festzustellen, dass AFLPs geeignet sind, um phylogenetische Beziehungen zwischen Arten der Dipterocarpaceae zu analysieren und um genetische Differenzierungsmuster innerhalb von und zwischen Populationen einer Art zu erkennen. Die Ergebnisse können genutzt werden, um Strategien zur Erhaltung der genetischen Ressourcen von Dipterocarpaceen zu entwickeln und um molekulare Marker zur Erkennung der Holzherkunft zu etablieren.

This dissertation is composed of three parts using the AFLP marker technique to characterize genetic variation of Indonesian dipterocarps, a dominant tree family in Asian tropical rainforests: (1) genetic variation of Dipterocarpaceae and its relation to molecular phylogenies and taxonomic subdivisions; (2) genetic diversity within and among populations of two common dipterocarps, Shorea leprosula Miq. and S. parvifolia Dyer, in Indonesia; (3) genetic variation in nine Shorea species in Indonesia. Part 1: A total of 81 samples of dipterocarp trees (Dipterocarpaceae; subfamily Dipterocarpoideae) from Indonesia belonging to 54 species in all nine genera native to the country were investigated at 125 AFLP loci in order to assess genetic differentiation among species. The resultant UPGMA tree clearly separated all investigated dipterocarps into two major groups corresponding to tribe Dipterocarpeae with base chromosome number of x = 11 and to tribe Shoreae with x = 7. The results of this study using the AFLP marker technique are in accordance with the topology of molecular phylogenetic trees derived from PCR-RFLP and sequence analysis of chloroplast DNA (with a few exceptions) and generally support the traditional taxonomic subdivisions of Dipterocarpoideae. Part 2: AFLPs were used to assess the genetic diversity and differentiation in the most common and widespread emergent dipterocarp tree species - Shorea leprosula Miq. and S. parvifolia Dyer - from Indonesia. A total of 268 individuals from natural populations in Sumatra and Borneo and from a plantation on Java were analysed at 56 AFLP loci. S. leprosula is genetically more variable than S. parvifolia. AMOVA analysis at two hierarchical levels exhibited that most genetic variation resided within populations with a proportion of 70.2% for S. leprosula and 66.2% for S. parvifolia. The observed genetic diversity within populations and genetic differentiation among populations agreed with the life history traits of Shorea species. Some private markers with high frequencies were found, which can serve as diagnostic markers for the identification of wood of different species from different islands and regions. Part 3: Genetic variation in nine Shorea species from two different locations, namely Nanjak Makmur on Sumatra and Sumalindo on Kalimantan (Borneo), was evaluated using AFLP markers. A total of 274 trees were investigated at 85 polymorphic AFLP loci. The results indicated that the six species from Nanjak Makmur Sumatra and the five species from Sumalindo Borneo showed similar levels of genetic variation. The hypothesis that uncommon species (S. blumutensis and S. dasyphylla) show a lower level of genetic variation than widespread species (e.g., S. leprosula and S. parvifolia) is rejected. AMOVA analysis revealed that the genetic variation was mainly found among species, both in Nanjak Makmur Sumatra (57.7%) and in Sumalindo Borneo (56.3%). The UPGMA dendrogram of all samples revealed an almost complete separation of clusters according to species affiliation. Thus, AFLP markers proved suitable to dissect phylogenetic relationships among Shorea species confirming the validity of results of the first part. Species-specific markers with high frequencies (> 80%) have been detected in two species (S. platyclados and S. johorensis). Several other markers showed high frequency differences among species, and between regions within species (for S. leprosula and S. parvifolia that are represented in both regions). The homology of equal-sized AFLP fagments has to be confirmed by sequencing. Sequence information can be used to develop specific PCR markers for the identification of the origin of wood. In conclusion, AFLPs proved to be suitable tools to analyse phylogenetic relationships among species of the Dipterocarpaceae and to investigate patterns of genetic diversity within and among populations of one species. Results can be applied within the context of the development of strategies for the conservation of genetic resources of dipterocarps, and as a basis for development of molecular tools to identify the origin of dipterocarp wood.