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Sexual reproduction and clonal growth in small populations of Antennaria dioica (L.) Gaertner.

Authors:

Abstract and Figures

Ongoing habitat fragmentation and land use changes pose major threats leading to reduced plant fitness in small and isolated populations. For plant species that can propagate either sexually or asexually, this is assumed to cause a shift towards the vegetative reproduction. Plant populations that exhibit prolonged clonal growth have been referred to as remnant populations, since the loss of genets and consequently the reduction of effective population size induce mechanisms which accelerate further declining of populations. Hence, for clonally reproducing species, it was frequently shown that declining populations exhibit so-called sexual extinction which may be particularly pronounced in dioecious species due to skewed sex ratios. Antennaria dioica is a dioecious species that reproduces mainly clonally. In Central European grasslands, A. dioica is a rapidly decreasing species which is associated to semi-natural plant communities. In our study, we examined the effect of decreasing population size on the clonal structure and the sex ratio which both inherently determine the effective population size. In consequence, we asked whether sexual reproduction is derogated in small populations with skewed sex ratios. Based on field surveys, we estimated population size and sex ratio of 32 populations. Furthermore, we acquired data on plant fitness and habitat conditions (soil profundity, height of surrounding vegetation, nitrogen content in the soil). In order to evaluate the clonal structure of the populations, we collected leaf samples for subsequent AFLP analysis. In addition, we estimated the seed set and the germination of 17 populations. The majority of the examined populations were rather small consisting of less than ten patches. Our results demonstrated that increasing height of the surrounding vegetation leads to considerable loss of plant fitness. In the AFLP analysis, we found striking evidence that the small populations consists of only a few genets. Our analyses revealed that stochasticity in sex ratio increased with decreasing population size while fruit set increased with the size of the sampled stands. We reasoned that the loss of clonal diversity and reduced sexual reproduction contribute to the recently observed declines of population sizes. Hence, we argue that prolonged and almost exclusive clonal growth may ultimately result in sexual extinction which implies fundamental consequences for population viability. Furthermore, we hypothesise that successful sexual reproduction is crucial to balance stochastic losses of genets. Without appropriate conservation activities, the vast majority of our examined A. dioica-populations are subjected to face an extremely high risk of extinction in the near future.
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Hercynia N. F. 47 (2014): 59 –86 59
Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum in kleinen Populationen
von Antennaria dioica (L.) G
Christoph Rosche, Karin Schrieber, Heidi Hirsch, Thomas Blachnik, Sabrina Träger,
Frank Richter, Gunnar Seidler und Isabell Hensen
8 Abbildungen und 9 Tabellen
Abstract
Rosche, C., Schrieber, K., Hirsch, H., Blachnik, T., Träger, S., Richter, F., Seidler, G., Hensen,
I.: Sexual reproduction and clonal growth in small populations of Antennaria dioica (L.) Gaertner. -
Hercynia N. F. 47 (2014): 59– 86.
Ongoing habitat fragmentation and land use changes pose major threats leading to reduced plant tness
in small and isolated populations. For plant species that can propagate either sexually or asexually, this
is assumed to cause a shift towards the vegetative reproduction. Plant populations that exhibit prolonged
clonal growth have been referred to as remnant populations, since the loss of genets and consequently the
reduction of effective population size induce mechanisms which accelerate further declining of popu-
lations. Hence, for clonally reproducing species, it was frequently shown that declining populations
exhibit so-called sexual extinction which may be particularly pronounced in dioecious species due to
skewed sex ratios.
Antennaria dioica is a dioecious species that reproduces mainly clonally. In Central European grass-
lands, A. dioica is a rapidly decreasing species which is associated to semi-natural plant communities. In
our study, we examined the effect of decreasing population size on the clonal structure and the sex ratio
which both inherently determine the effective population size. In consequence, we asked whether sexual
reproduction is derogated in small populations with skewed sex ratios.
Based on eld surveys, we estimated population size and sex ratio of 32 populations. Furthermore, we
acquired data on plant tness and habitat conditions (soil profundity, height of surrounding vegetation,
nitrogen content in the soil). In order to evaluate the clonal structure of the populations, we collected
leaf samples for subsequent AFLP analysis. In addition, we estimated the seed set and the germination
of 17 populations.
The majority of the examined populations were rather small consisting of less than ten patches. Our
results demonstrated that increasing height of the surrounding vegetation leads to considerable loss of
plant tness. In the AFLP analysis, we found striking evidence that the small populations consists of
only a few genets. Our analyses revealed that stochasticity in sex ratio increased with decreasing popula-
tion size while fruit set increased with the size of the sampled stands.
We reasoned that the loss of clonal diversity and reduced sexual reproduction contribute to the recently
observed declines of population sizes. Hence, we argue that prolonged and almost exclusive clonal
growth may ultimately result in sexual extinction which implies fundamental consequences for popula-
tion viability. Furthermore, we hypothesise that successful sexual reproduction is crucial to balance sto-
chastic losses of genets. Without appropriate conservation activities, the vast majority of our examined
A. dioica-populations are subjected to face an extremely high risk of extinction in the near future.
Key words: clonal diversity, oligoclonality, dioecy, sex ratio, sexual extinction
1 Einleitung
Anthropogen verursachte Umweltveränderungen verschlechtern die Habitatqualität für viele bedrohte
Panzenarten. Solche Umweltveränderungen stellen beispielsweise Eutrophierung (Bobbink et al. 2010),
60 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
die Veränderungen traditioneller Landnutzungsformen (Poschold et al. 2005) oder die Einführung inva-
siver Arten (Shah et al. 2014) dar. Des Weiteren tritt Habitatfragmentierung als Folge der anhaltenden Ur-
banisierung auf (Young et al. 1996), wodurch es zu einer permanenten Umstrukturierung und Zerstörung
von Lebensräumen kommt (Fischer & Lindenmayer 2007). Die Geschwindigkeit dieser Prozesse hat ein
erdgeschichtlich unvergleichbar hohes Ausmaß erreicht, wodurch es zu starken Populations rückgängen
vieler Arten kommt (Chapin III et al. 2000). Die Populationen sind meist räumlich isoliert und weisen
häug nur noch wenige Individuen auf. Die Reduktion der Populationsgröße kann zur Verminderung
der Fitness, d. h. der Fähig keit eines Individuums im Raum präsent zu bleiben und vermehrungsfähige
Nach kommen zu erzeugen (Bresinky et al. 2008), durch Allee -Effekte führen (Allee et al. 1949), die
durch nicht-genetische Faktoren (z. B. demograsche und umweltbedingte Zufallser schei nungen) als
auch durch genetisch-stochastische Faktoren ausgelöst werden (Shaffer 1987).
Bei Panzen, die sowohl zu sexueller als auch zu klonaler Reproduktion befähigt sind, kann dies zu ei-
ner Verschiebung des Gleichgewichts zwischen den beiden Fortpanzungsformen zu Gunsten der klonalen
Reproduktion führen (Eckert 2002). Durch die asexuelle Bildung von Ramets (d. h. vegetativ entstan-
denen und physiologisch eigenständigen Einheiten eines Klons) können viele Panzenarten ungünstige
Standortbe dingungen überdauern, bis durch Verbesserung der Habitatqualität die ressourcen-aufwändigere
sexuelle Vermehrung wieder ermöglicht ist. Solche überdauernden Popula tionen sind jedoch im Sinne der
“route to extinction“-Theorie besonders stark vom Aussterben bedroht (Honnay & Bossuyt 2005). Aus-
schlaggebend für das erhöhte Aussterberisiko ist häug ihre überalterte demograsche Struktur. Während
die asexuell propagierenden, klonalen Linien altern, ndet kaum Keimlings etablierung statt und somit auch
keine Verjüngung mittels neuer Genets (d. h. genetisch eigenständigen Individuen, die durch sexuelle Re-
produktion entstanden sind). Durch intraspezische Konkurrenz zwischen den Genets (Hartnett & Baz-
zaz 1985) sowie durch Akkumulation von Mutationen im Genom überalterter klonaler Linien (Klekowski
1988) verlieren betroffene Populationen sukzessive weitere Genets, wodurch in den Populationen Oligoklo-
nalität (d. h. wenige Genets in einer Population) entsteht. So können auch groß ächige Populationen infolge
einer oligo klonalen Struktur sehr kleine effektive Populations größen (d. h. die für die sexuelle Fort panzung
relevante genetische Diversität; Frankham 1995) besitzen. Populationen, die aus wenigen Genets bestehen,
können sich also bereits in einem Aussterbeprozess benden, welcher jedoch von der Langlebigkeit der
Individuen überdeckt wird. Dabei könnte insbesondere eine durch Oligoklonalität bedingte Reduktion der
sexuellen Reproduktion eine zentrale Rolle spielen (Honnay & Bossuyt 2005).
Die kausalen Zusammenhänge zwischen anthropogenen Habitatveränderungen, der daraus resultierenden
Reduktion der Populationsgröße und einer folglich verringerten generativen Reproduktion müssen für
bedrohte Arten unter Einbezug der Besonderheiten ihrer Reproduktionssysteme betrachtet werden. Insbe-
sondere diözische Arten sind massiv von sinkenden oder uktuierenden Populationsgrößen betroffen und
haben daher ein vergleichs weise hohes Aussterberisiko (Vamosi & Vamosi 2005). Mit abnehmender Po-
pulationsgröße nimmt das Risiko für stochastische Schwankungen im Geschlechterverhältnis zu (Schrie-
ber 2011). Je nach Richtung der Unausgewogenheit kann es dabei zu Diasporen- oder Pollen limitation
kommen (Öster & Eriksson 2007, Kaplan 1972). Dies kann wiederum zu einer bedeutenden Reduktion
der effektiven Populationsgröße und im Extremfall zum vollständigen Verlust der sexuellen Reprodukti-
onsfähigkeit führen.
Um die beschriebenen Zusammenhänge zu untersuchen, wurde Antennaria dioica (L.) Gaertner 1791
(Gewöhnliches Katzenpfötchen, Asteraceae) als Modellart gewählt. Die diözische Art ist zur klonalen
Vermehrung befähigt. Das Gewöhnliche Katzenpfötchen wird auf der Roten Liste Deutschlands als
„deutschlandweit gefährdet mit regional stärkerer Bedrohung“ geführt (Korneck et al. 1996) und steht
seit 1998 nach dem Bundes natur schutzgesetz unter besonderem Schutz. In vielen Teilen Deutschlands
(v. a. in den Tieändern und Mittelgebirgen) bendet sich die Art in einem sehr starken Rückgang (vgl.
u. a. Schwabe 1990, 1991, Zimmermann 1996, Frank & Neumann 1999, Gatterer & Nezadal
2003, Fukarek & Henker 2006, Feldt 2008, Romahn 2009, Blachnik 2012).
Anliegen dieser Arbeit ist es, den Rückgang von A. dioica im Untersuchungsgebiet unter Betrachtung der
Habitatbedingungen und reproduktionsökologischen Aspekte zu analysieren. In diesem Kontext wurde
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 61
der Fokus auf den Einuss der klonalen Diversität und des Geschlechterverhältnisses auf den Erfolg der
sexuellen Reproduktion gelegt. Unsere Studie verfolgte folgende Ziele:
1) Bestimmung der Populationsgröße der untersuchten A. dioica-Populationen,
2) Untersuchung des Einusses der Habitateigenschaften auf die Fitness von A. dioica,
3) Kennzeichnung der klonalen Struktur der untersuchten A. dioica-Populationen,
4) Untersuchung des Einusses der Populationsgröße auf das Geschlechterverhältnis und des daraus re-
sultierenden Erfolges der sexuellen Reproduktion.
2 Methoden
2. 1 Studienobjekt: Das Gewöhnliche Katzenpfötchen
Antennaria dioica (L.) Gaertner ist ein immergrüner, plurienn-pollakanther Hemikryptophyt. Die ober-
irdisch gebildeten, zwei bis fünf Zentimeter langen Ausläufer können Wurzeln hervorbringen und ve-
getativ neue Klone generieren (Kutschera & Lichtenegger 1992, Jäger 1957). Dadurch entstehen
kohärente Bestände orthotroper Halbrosettengeechte, die zum Teil dichte Matten eng stehender Ramets
bilden („Phalanx-Typ“ nach Stöcklin 1992, Hensen 1997). Diese Matten oder Flecken werden im Fol-
genden als Patches bezeichnet. Ein Patch wurde in unserer Studie als ein zusammenhängender Fleck von
Rosetten, an dessen Peripherie im Abstand von mindestens 20 cm keine weitere Rosette existiert, deniert.
Dabei ist es nicht möglich, morphologisch zu bestimmen, wie viele genetische Individuen sich in den
Halbroset ten geechten benden, da sich die Stolone zwischen den Rosetten meist nach Ende der Vegeta-
tionsperiode auösen (Schwabe 1990). Die Lebensfähigkeit der Rosetten ist auf ein Jahr bis wenige Jahre
begrenzt (Feldt 2008). Wie alt ein Genet werden kann, ist nicht bekannt.
Antennaria dioica weist ein diözisches Reproduktionssystem mit eindeutigen Sexual dimorphismen auf,
welche eine optische Geschlechterbestimmung im Feld ermöglichen (vgl. Hegi 1979). Weibliche Indi-
viduen bilden längliche, schmale Körbchen mit langen und schmalen Involucralblättern aus, während
männliche Individuen breite, rundliche Körbchen mit breiten und runden Involucralblättern entwickeln.
Die Art ist entomophil und wird von verschiedenen Apoiden, Syrphiden, Formiciden, Coleopteren und
Lepidopteren bestäubt (Knuth 1898). Im Gegensatz zu dem Großteil der über 40 Antennaria-Spezies,
die fakultativ agamosperm sind, werden die anemochoren Achänen von A. dioica obligat sexuell gebildet
(Urbanska 1985). Die Art bildet keine persistente Diasporenbank aus, da die Samen maximal zwei bis
drei Jahre lebensfähig bleiben können (Vogler 1901, Schütz 1989).
In den mitteleuropäischen Tieändern besiedelt A. dioica halbnatürliche Trocken- und Halbtrockenra-
sen. Die Art gilt als Flachwurzler, da sie laut Feldt (2008) „nur noch dort wächst, wo die Bodentiefe
zwischen 8– 11 cm liegt“. Antennaria dioica ist sehr lichtliebend (Lichtzeigerwert 8, Ellenberg et al.
2001) und dadurch an magere und kurzrasige Bedingungen gebunden (Feldt 2008). Partzsch (2011)
konnte zeigen, dass das Gewöhnliche Katzenpfötchen als eine Zeigerart historisch alter Xerotherm-
rasen zu betrachten ist, deren Artenzusammen setzung sich als Folge der Aufgabe traditioneller Nut-
zungsformen in den vergangenen Jahrzehnten stark verändert hat. Da A. dioica innerhalb der von ihr
besiedelten Phytozönosen eine besonders hohe Sensibilität für Landnutzungs veränderungen aufweist
(Braun-Blanquet 1949), verweist Schwabe (1990) auf die besondere Bedeutung der Art als Indika-
tor für die durch Brachlegung und Düngung verursachten Veränderungen in nährstoffarmen, halb natür-
lichen Graslandschaften: „Antennaria vermag sich in höher wüchsigen Brachen nicht zu halten…sie
reagiert sehr viel rascher auf Düngungseinüsse als die restliche Phytocoenose (Festuco-Genistetum
saggitalis)“. Laut Schwabe (1991) kann somit das Verschwinden von A. dioica anzeigen, dass sich
die Zusammen setzung der Panzengesellschaft am Standort in den darauffolgenden Jahren verändern
wird. Dies unterstreicht die Bedeutung, die dem Rückgang von A. dioica im Unter suchungs gebiet bei-
gemessen werden sollte.
62 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
2.2 Untersuchungsgebiet
Im Untersuchungsgebiet (Westtschechische Republik, Nord-, Ost- und Mitteldeutschland, Abb. 1) wurden
im Sommer 2010 32 Populationen beprobt (Tab. 1, vgl. Rosche 2011). Für viele Teile des Untersuchungs-
gebiets wie Schleswig-Holstein (vgl. Romahn 2009) oder das Bayerische Vogtland (vgl. Blachnik 2012)
wurde bereits berichtet, dass viele ehemalige Vorkommen innerhalb der letzten Jahrzehnte erloschen sind.
Standorteigenschaften
Die Standorte der untersuchten Populationen waren sehr vielfältig. Sie umfassten einen Höhengradien-
ten von 2 m (FM, Abk. s. Tab. 1) bis 973 m ü. NN (RV), mittlere Jahres niederschläge von 490 mm (LH)
bis 926 mm (BD) und Jahresmitteltemperaturen von 4,4 °C (BD) bis 9,2 °C (LN) (Hijmans et al. 2005).
Antennaria dioica war im Untersuchungs gebiet auf sandigen bis lehmigen Böden anzutreffen, deren pH-
Werte sich vom extrem sauren (RN, pH = 4,16, Schrieber 2011) bis in den alkalischen (MR, pH =
7,58, Schrieber 2011) Bereich erstreckten. Die Böden waren Torfmoor-, Serpentin- und Lössböden,
Rendzinen, Ranker und Lehmmergel. In 24 der 32 untersuchten Populationen wurden Pegemaßnah-
men durchgeführt (Tab. 1). Die Viel fältig keit der Standorte spiegelte sich in 13 verschiedenen Panzen -
gesellschaften wider, in denen die A. dioica-Populationen angesiedelt waren (Ergebnisse hier nicht darge-
stellt, vgl. dazu Schrieber 2011).
2.3 Untersuchungen artbezogener Merkmale
2.3.1 Bestimmung der Populationsgröße der untersuchten A. dioica-Populationen
Die Patches der Populationen wurden im Gelände gesucht und markiert. Anschließend wurde die Popula-
tionsgröße als Anzahl an Patches sowie als kumulative Patchäche beschrieben. Die kumulative Patchä-
che stellt ein Maß der Fläche dar, die A. dioica in der untersuchten Population insgesamt einnimmt, wenn
alle Patches zu einer Gesamtäche addiert würden. Zur Bestimmung der kumulativen Patchäche wurden
20 zufällig gewählte Patches mit Stöcken umgrenzt und senkrecht von oben in einer Höhe von 1 m foto-
graert (vgl. Abb. 3). In das umgrenzte Patch wurde ein Maßstab gelegt und die Deckung von A. dioica
geschätzt (vgl. Abb. 3). Mit der Software ArcMap v. 8.1 (ESRI, New Redlands, USA) konnten mithilfe der
Fotos unter Verwendung der Lineal-Referenzen die Flächen der A. dioica-Patches ermittelt werden. Die
Flächen wurden mit den geschätzten Deckungen verrechnet, um daraus eine Gesamtdeckungsäche jedes
einzelnen Patches, bzw. kumulativ über die gesamte Population abzuleiten. Waren mehr als 20 Patches in
einer Population aufndbar, wurde aus den ermittelten 20 Einzelpatchächen ein Mittel wert gebildet und
mit der Anzahl aller Patches der Population multipliziert.
2.3.2 Untersuchung des Einusses der Habitateigenschaften auf die Fitness von A. dioica
Um zu untersuchen, ob A. dioica mit ansteigender Tiefgründigkeit des Bodens schlechtere Möglichkeiten
hat sich im Habitat zu behaupten, wurde die Tiefgründigkeit des Bodens in der Peripherie mit der im Zen-
trum der Patches verglichen. Mit Hilfe eines Metallstabes erfolgte dazu an 20 zufällig gewählten Patches
pro Population ein Einstich im Zentrum des jeweiligen Patches und vier an seiner Peripherie.
Des Weiteren wurde an zehn Patches die mittlere Vegetationshöhe an der Peripherie der Patches erfasst.
Zudem wurde je Population eine Mischprobe des Bodens genommen, deren Gesamtstickstoffgehalt mit
einem C/N-Analyzer Vario EL (Elementaranalysensysteme GmbH, Hanau, GER) nach der Methodik von
Bruelheide (2007) bestimmt wurde.
Um die Fitness von A. dioica einzuschätzen, wurden Daten zur Blühfähigkeit und zur vegetativen Fort-
panzung an zehn Patches erfasst. Innerhalb eines 50 x 50 cm-Holzrahmens wurde dafür die Anzahl der
juvenilen Rosetten sowie der blühenden und nicht blühenden adulten Rosetten aufgenommen. Der Rah-
men wurde in das Zentrum des Patch gelegt. Als juvenil wurden Rosetten, deren Durchmesser kleiner als
1,5 cm waren, und Ausläufer, die noch deutlich mit der Mutterpanze in Verbindung standen, klassiziert.
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 63
Abb. 1 Geograsche Lage der untersuchten Populationen. Die Abkürzungen der Popula tionen sind Tab. 1 zu entnehmen.
Fig. 1 Map with the locations of the investigated populations. Abbreviations correspond to the population IDs in Table 1.
Als adult galten alle Rosetten mit größerem Durch messer. Die Blühfähigkeit ergab sich aus dem Verhält-
nis von blühenden zu nicht blühenden adulten Rosetten. Die vegetative Reproduktion wurde aus dem
Verhältnis von adulten zu juvenilen Rosetten bestimmt.
2.3.3 Kennzeichnung der klonalen Struktur der untersuchten A. dioica-Populationen
Pro Population wurde aus den zehn ausgewählten Patches jeweils eine Blattprobe eines Ramet für die
genotypischen Untersuchungen entnommen. Die Proben wurden über den größtmöglichen Abstand in
den Populationen verteilt, um möglichst viele Genets zu erfassen. Bei Populationen, die aus weniger
als zehn Patches bestanden (insgesamt in 22 der 32 Populationen; Tab. 1), wurden mehrere Proben aus
einem Patch genommen. Bei sehr kleinen Populationen, die zum Teil nur noch aus einem Patch bestan-
den, sollte zusätzlich abgeschätzt werden, wie viele Genets in oligoklonalen Populationen bzw. innerhalb
eines einzelnen Patches zu erwarten sind. Die Extraktion der DNA aus den Blattproben erfolgte nach
dem ATMAB-Verfahren (Doyle & Doyle 1987) mit Änderungen nach Ziegenhagen (1990). Die Ge-
64 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
Tab. 1 Übersicht über die untersuchten Populationen und ihrer Charakteristika.
ID = Populationsabkürzung; Region = Region, in dem die Population lokalisiert ist; kum. Patch. [m2] = kumulative Patchäche; Hammerunterw. = Hammerunter-
wiesenthal; Zö. Halde Wind. = Zöblitz Halde an der Windmühle; SA = Sachsen-Anhalt; SN = Sachsen; FR = Franken; TH = Thüringen; BB = Brandenburg; CZ =
Tschechische Republik; SH = Schleswig-Holstein. NSG = Naturschutzgebiet; VSG = Vogelschutzgebiet; FND = Flächennaturdenkmal; FFH = Flora Fauna Habitat;
LSG = Landschaftsschutzgebiet. Die Koordinatenangaben von MK und RN werden auf Wunsch der UNB Sächsisches Vogtland nicht veröffentlicht und sind nur auf
Anfrage bei dieser Institution einsehbar. Die Angaben zur Landschaftspege wurden bei den Unteren Naturschutzbehörden oder direkt bei den Schäfereien erfragt.
Beweidungsregime: S = Schafe; Z = Ziegen; R = Rinder; Hw = Huteweide; Sw = Standweide; Sfw = Staffelweide; Uw = Umtriebsweide. Die darauffolgenden Buch-
staben geben an, ob an den Standorten eine Nachmahd (M), die Entfernung von Gehölzen (G), eine mechanische Bodenverwundung (V), Plaggen (P) oder Brennen
(B) als Pegemaßnahmen erfolgen.
Tab. 1 Characteristics of the investigated populations.
ID = abbreviation of the population; Region = region of the populations´ locality; kum. Patch. [m2] = cumulative patch size; Hammerunterw. = Hammerunterwie-
senthal; Zö. Halde Wind. = Zöblitz Halde an der Windmühle; SA = Saxony-Anhalt; SN = Saxony; FR = Franconia; TH = Thuringia; BB = Brandenburg; CZ = Czech
Republic; SH = Schleswig-Holstein. NSG = integral nature reserve; VSG = bird sanctuary; FND = nature memorial area; FFH = ora fauna habitat; LSG = landscape
conservation area. In respect to desire of the UNB Sächsisches Vogtland, the coordinates of the populations MK and RN are not published. These coordinates are
only available after personal request to this institution. Information for the land use management was provided by nature conservation authorities or the sheep farms.
Grazing regime: S = sheep; Z = goats, R = cattle; Hw = common pasture; Sw = stand grazing; Sfw = season grazing, Uw = rotational grazing. Subsequent letters
corresponds to further management regimes: M = subsequent mowing; G = removal of bosk; V = mechanical soil treatment, P = sod plugging; B = burning.
ID Populationsname Region Anzahl
Patches
kum. Patch.
[m]
Höhe über NN
[m]
Breitengrad Längengrad Schutzstatus Landschaftspege
BD Bozí Dar SN 4 0,21 966 50°24‘40.86“ 12°54‘30.08“ NSG -
BN Bernstein FR 3 Na 658 50°16‘12.68“ 11°33‘17.91“ - -
BS Ballenstedt SA 1 0,49 283 51°43‘15.74“ 11°11‘57.54“ - -
BUL Bühlow links BB 173 60,72 101 51°37‘35.36“ 14°21‘39.25“ VSG P G
BUR Bühlow rechts BB 47 12,68 101 51°37‘41.54“ 14°21‘15.24“ VSG P G
DO Dobový vrch CZ 3 Na 690 50°19‘21.96“ 13°12‘34.49“ - -
DZ Döblitz SA 48 10,6 88 51°33‘40.34“ 11°50‘36.28“ NSG S/Z (Hw)
EG Engerda TH 7 2,01 461 50°47‘56.04“ 11°24‘18.75“
FM Fehmarn SH 1 0,73 2 54°31‘47.54“ 11° 05‘38.77“ - -
GM Goldener Mann TH 36 5,08 164 51°25‘22.16“ 11° 04‘20.70“ - -
HB Harsleben SA 1 0,27 283 51°49‘52.06“ 11° 04‘34.13“ NSG S (Hw)
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 65
ID Populationsname Region Anzahl
Patches
kum. Patch.
[m]
Höhe über NN
[m]
Breitengrad Längengrad Schutzstatus Landschaftspege
HM Halbemeil SN 1 5,66 881 50°27‘04.07“ 12°47‘48.31“ NSG M
HU Hammerunterw. SN 4 6,55 865 50°27‘02.02“ 13° 00‘22.04“ FND G
HW Zö. Halde Wind. SN 3 6,71 690 50°39‘13.26“ 13°15‘58.87“ NSG G
LB Lunzberge SA 1 0,54 83 51°31‘50.33“ 11°53‘26.23“ NSG S (Hw)
LH Lerchenhügel SA 8 2,06 147 51°32‘53.01“ 11°51‘56.73“ NSG S (Hw)
LM Löhmar FR 1 Na 554 50°15‘42.30“ 11°35‘25.97“ - M V
LN Loben BB 1 1,69 94 51°30‘38.59“ 13°37‘27.83“ NSG S (Hw) M
LS Löwenstedt SH 8 2,48 16 54°37‘33.08“ 9°08‘51.58“ NSG (Uw) M P B
MC Mêdinêc CZ 12 6,76 888 50°25‘28.06“ 13°06‘42.18“ - -
MD Müncheroda SA 1 Na 208 51°13‘56.45“ 11°42‘55.15“ NSG -
MK Marktneukirchen SN 2 0,89 538 50°17‘xx.xx“ 12°20‘xx.xx“ FFH G
MR Martinsroda TH 64 34,36 382 50°47‘47.27“ 11°29‘29.32“ - -
MU Mücheln SA 3 0,32 117 51°34‘30.54“ 11°50‘02.74“ NSG S (Hw)
NB Niemberg SA 1 0,36 118 51°32‘59.61“ 12°04‘32.86“ FFH S (Hw)
NO Nordoer Heide SH 7 0,86 23 53°53‘11.09“ 9°30‘25.99“ FFH R (Sw, Sfw)
OB Ochsenburg TH 2 0,18 216 51°23‘20.61“ 11°02‘15.82“ NSG S (Hw) R (Sw) M G
OM Mallnow BB 12 2,14 332 52°29‘20.62“ 14°26‘46.26“ NSG S/Z (Uw) G
PB Pfaffenberg TH 30 18,08 285 51°31‘30.15“ 10°50‘57.42“ LSG S (Hw) G V
RD Rüdigsdorf TH 39 19,55 269 51°32‘04.82“ 10°48‘36.92“ NSG S/Z (Hw)
RN Raun SN 1 0,09 590 50°15‘xx.xx“ 12°18‘xx.xx“ - G
RV Ryznová SN 1 0,95 973 50°24‘45.25“ 12°54‘10.94“ NSG -
Fortsetzung Tab. 1
66 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
notypisierung wurde mit AFLP-Markern vorgenommen (Vos et al. 1995). Die detaillierte Darstellung der
DNA-Extraktion sowie des angewandten AFLP-Protokolls sind dem Anhang zu entnehmen. Die AFLP-
Fragmentlängen wurden mit Hilfe des MegaBace-Sequencers (Amersham Bioscience, Amersham, UK)
bestimmt. Zur Validierung der ermittelten Peaks wurden 47 Wiederholungen der insgesamt 254 analysier-
ten Proben verwendet. Insgesamt konnten 168 polymorphe Loci genutzt werden. Bezüglich der 168 po-
lymorphen Loci wurde innerhalb der 47 Wiederholungspaare eine Fehlerquote von 2,79 % errechnet (ty-
pische Fehlerquote bei AFLP-Analysen: 2– 5 %, Hansen et al. 1999). Die binäre Matrix wurde manuell
aus den Prolen im Programm Fragment Proler (Amersham Bioscience, Amersham, UK) erarbeitet. Die
Identikation von Klonen wurde nach dem Protokoll aus Stein et al. 2014 durchgeführt. Pro Population
und Patch wurde die Anzahl an Genets bestimmt. Proben, die den gleichen Genotyp aufwiesen, wurden
als Ramets eines Klons notiert. Als Maß für die klonale Diversität der Populationen wurde der nach Dor-
ken & Eckert (2001) modizierte Index für klonale Diversität (R = (G–1)/(N–1)) berechnet, wobei G die
Anzahl der determinierten Genets und N die Anzahl der analysierten Proben wiedergibt.
Um exemplarisch die klonale Struktur einer Population möglichst detailliert darzustellen, wurden im
Zuge einer Vorstudie (Träger 2010) in der Population LH (Lerchenhügel bei Brachwitz, Saalekreis) 43
Proben genommen. Je nach Größe der Patches wurden in größtmöglichem Abstand drei bis fünf Proben
innerhalb eines Patches genommen, um möglichst viele Genets zu determinieren. Die Lage der Patches
wurde schematisch kartiert.
2.3.4 Untersuchung des Einusses der Populationsgröße auf das Geschlechterverhältnis und des
daraus resultierenden Erfolges der sexuellen Reproduktion
Da es nicht möglich war, zu bestimmen, wie viele männliche und weibliche Individuen (Genets) in den
Populationen vorhanden waren, wurde das Geschlechterverhältnis näherungs weise auf Patchebene abge-
schätzt. In jedem Patch wurde dazu geprüft ob es männliche und/oder weibliche Blühtriebe enthielt. Pat-
ches ohne Blühtriebe wurden als nicht blühende Patches gezählt. Patches, die sowohl weibliche als auch
männliche Blühtriebe enthielten, wurden für beide Geschlechter jeweils einmal gezählt.
In 17 Populationen wurden von Mitte Juli bis Ende August 2010 Achänen geerntet. Die Früchte wurden
in drei Kategorien eingeteilt: Achänen, die prall, glatt, mäßig dunkel gefärbt und verhältnismäßig groß
waren, galten als fertil. Achänen, die kleiner, faltig und schwärzlich gefärbt waren, wurden der Kategorie
steril 1 und Achänen mit heller, häutiger, leerer Hülle wurden der Kategorie steril 2 zugeordnet (Abb. 2).
Die sterilen Achänen der Kategorie 2 sind vermutlich unbefruchtete, leere Blütenhüllen, während die ste-
rilen Achänen der Kategorie 1 mutmaßlich aus befruch te ten Ovarien hervorgegangen sind, wobei es aber
zu keiner vollständigen Fruchtentwicklung gekommen ist.
Abb. 2 Achänenkategorien mit einem Lichtmikroskop bei zehnfacher Vergrößerung aufgenom men (Foto: Schrieber
2011).
Fig. 2 Categories of achenes. Pictures were taken by using a light-optical microscope with tenfold magni cation
(Photo: Schrieber 2011).
Die fertilen Achänen wurden auf Keimfähigkeit in einem Zeitraum von September bis Oktober 2010 ge-
testet. Je Population wurden drei Wiederholungen á 50 Diasporen angesetzt. Waren mehr fertile Achänen
vorhanden, wurde auf fünf Wiederholungen erweitert. Für den Keimversuch wurden Glaspetrischalen
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 67
nach standardisierten Methoden der internationalen Vorschriften für die Prüfung von Saatgut der ISTA
(2008) verwendet. In die Petrischalen wurde ein PE-Gitter gelegt und darauf jeweils 50 Achänen auf
einem Filterpapier platziert. Die Filter wurden anschließend mit demineralisiertem Wasser befeuchtet. Die
Petrischalen wurden randomisiert in Lichtthermostate Typ 1301 (RU | MED, Laatzen, GER) mit einem
Temperatur- und Licht wechsel von 10 °C bei Dunkelheit und 20 °C bei Licht in einem 12 h-Rhythmus
platziert. Die Kontrolle auf gekeimte Achänen erfolgte dreimal wöchentlich über 45 Tage. Eine Achäne
galt als gekeimt, wenn die Radicula oder die ergrünten Cotyledonen die Testa und die Fruchtwand durch-
stoßen hatten (Baskin & Baskin 1998). Die gekeimten Achänen wurden ausgezählt und anschließend
entnommen.
2.4 Datenanalyse
Alle statistischen Analysen und deren grasche Visualisierung wurde mit dem Programm R (Ver.
2.15.1, R Development Core Team 2012) unter Verwendung der R-packages “nlme“ (Pinheiro et
al. 2010), “MASS“ (Venables & Ripley 2002), “lme4“ (Bates et al. 2011), “plotrix“ (Lemon 2006)
und “WGCNA“ (Langfelder et al. 2011) durchgeführt. Alle Daten wurden AIC-basierten (Akaike
Information Criterion, Akaike 1973) Transformationstests unterzogen und entsprechend transformiert.
Nach Crawley (2009) wurden die Daten, die auf Populationsebene erhoben wurden, mit linearen Mo-
dellen bzw. generalisierten linearen Modellen analysiert. Daten, deren Aufnahme wiederholt innerhalb
einer Population aufgenommen wurde, wurden mit linearen gemischten Modellen bzw. generalisierten
linearen gemischten Modellen analysiert, indem die Populationsidentität als Zufallseffekt einbezo-
gen wurde (Bolker et al. 2009). Aus den vollen Modellen wurde mittels schrittweiser Rückwärts-
vereinfachung das minimal adäquate Modell ermittelt. Die statistischen Modelle der einzelnen Analy-
sen sind im Anhang erläutert.
3 Ergebnisse
3.1 Bestimmung der Populationsgröße der A. dioica-Populationen
23 von 32 Populationen bestanden aus weniger als zehn Patches (Tab.1). Die Anzahl an Patches schwank-
te zwischen einem Patch (BS, FM, HB, HM, LB, LM, LN, MD, NB, RN, RV) und 173 Patches (BUL).
Die kumulative Patchäche der Populationen schwankte zwischen 0,09 m2 (RN) und 60,72 m2 (BUL),
wobei 11 der untersuchten Populationen eine kumulative Patchäche von weniger als einem Quadratme-
ter aufwiesen (Tab. 1). Bemerkens wert ist, dass im Rahmen einer Vorstudie 2009 in der Population LH
11 Patches aufgefunden wurden (Abb. 4, Träger 2010), während im Zuge der Untersuchungen für diese
Studie im Jahr 2010 nur noch acht Patches wieder aufgefunden wurden (Tab. 1).
3.2 Einuss der Habitateigenschaften auf die Fitness von A. dioica
Die Tiefgründigkeit des Bodens war an der Peripherie der Patches höher als in ihrem Zentrum (Median =
13 vs. 14 cm, Parameterschätzer =– 0,16, χ²(1) = 8,01, p < 0,01). Der prozentuale Anteil blühender Roset-
ten nahm mit zunehmender Höhe der Umgebungs vegetation ab (Parameter schätzer =– 0,07, χ²(1) = 58,97,
p < 0,001). Auch der Anteil juveniler Rosetten sank mit steigender Vegetationshöhe (Parameterschätzer
=– 0,03, χ²(1) = 28,22, p < 0,001). Der Stickstoff gehalt des Bodens (0,32 ± 0,25 µmol/g Trockenboden,
vgl. Schrieber 2011) hatte keinen signikanten Einuss, weder auf den Anteil blühender Rosetten noch
auf den Anteil juveniler Rosetten.
68 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
3.3 Kennzeichnung der klonalen Struktur der A. dioica-Populationen
Aus den 254 analysierten Proben wurden 173 verschiedene Genotypen ermittelt. Der Vergleich von Pro-
ben, die innerhalb eines Patches genommen wurden, ergab, dass Patches nicht grundsätzlich nur aus
einem Genet bestanden (Tab. 2). So wurden zum Beispiel für die sechs Proben des einzigen Patches der
Population FM zwei Genets determiniert (Abb. 3a), wohin gegen für die fünf Proben in der Population
NB nur ein Genet determiniert wurde (Abb. 3b). In den Populationen BS, DO, HB, LB, OB und RN, die
alle aus nur einem Patch bestanden, wurde nur ein Genotyp gefunden (R = 0, Tab. 3). Auffällig niedrige
Werte des klonalen Diversitäts parameters wiesen zudem die Populationen MD (R = 0,11) sowie FM (R
= 0,2) auf. In zehn Fällen konnten innerhalb der Populationen Klone determiniert werden, die nicht mehr
zu einem gemeinsamen Patch gehörten. Auch die Kartierung der Population LH zeigte, dass Patches
nicht immer aus nur einem Genet bestehen, und dass ein Genotyp auch auf mehrere Patches fragmentiert
vorliegen kann (Abb. 4).
Tab. 2 Klonverteilung der Proben, die innerhalb eines Patches gesammelt wurden. N = Anzahl untersuchter Proben
aus einem Patch; G = Anzahl identizierter Genotypen. Die Abkür zungen für die Populationen sind Tab. 1 zu
ent neh men. Bei Populationen, die zweimal aufgeführt sind, wurden in zwei Patches mehrere Proben gesam-
melt. In Klammern sind die Standardab wei chungen (SD) für die Mittelwerte angegeben.
Tab. 2 Genet distribution of the samples which were collected within single patches. N = number of samples coll-
ected within a single patch; G = number of determined genets. Abbreviations correspond to the population
IDs in Table 1. For populations which are listed twice, in two patches multiple samples were drawn. Standard
derivations (SD) are given in parentheses
Population N G
BS 5 1
BUR 5 4
EG 3 2
FM 6 2
HM 5 5
HU 5 2
HU 4 2
HW 2 2
HW 10 7
LB 3 1
LH 2 1
LH 2 2
LN 6 3
LS 3 3
LS 2 1
MD 10 2
NB 5 1
NO 2 2
NO 3 1
OB 3 1
RN 2 1
Mittelwert 4,19 (2,37) 2,19 (1,54)
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 69
Abb. 3 Beispiele der Verteilung der gefundenen Genotypen innerhalb eines Patches in den Populationen FM (A) und
NB (B). Die Kreise lokalisieren den Ursprungsort der Probe, die Farben stellen die determinierten Genotypen
dar. Die Zahlen entsprechen den Original-Nummern der Proben der jeweiligen Population.
Fig. 3 Distribution of the determined genotypes within one patch, exemplarily showed for the populations FM (A)
and NB (B). Dots represent the location of the sample and the numbers refer to the original number of the
collected sample. Each colour corresponds to a distinct determined genotype.
Abb. 4 Kartierung der A. dioica-Population LH im Jahr 2009. Die Farben geben die 17 verschiedenen Genets wieder.
Der prozentuale Anteil der Fläche der jeweiligen Farben ent spricht dem prozentualen Anteil des jeweiligen
Genet an der Menge an Proben, die insgesamt in dem Patch genommen wurden. Die Patches 1, 2, 4, 5, 6 be-
standen aus fünf beprob ten Individuen und die Patches 3, 7, 8, 9, 10, 11 enthielten je drei beprobte Individuen.
Fig. 4 Distribution map of the patches in the population LH in 2009. Each colour corresponds to a distinct deter-
mined genotype. Area of the colour corresponds to the portion of the respective genotype within the samples
in the patch. The patches 1, 2, 4, 5 and 6 consisted of ve samples whereas the patches 3, 7, 8, 9, 10 and 11
consisted of three samples.
70 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
Tab. 3 Klonale Diversität der Populationen. N = Anzahl untersuchter Proben; G = Anzahl identizierter Genotypen;
R = modizierter Index für klonale Diversität. Die Abkürzungen für die Populationen sind Tab. 1 zu ent neh-
men. In Klammern sind die Standardab wei chungen (SD) für die Mittelwerte angegeben.
Tab. 3 Clonal diversity of the populations. N = number of samples; G = number of deter mined genets; R = modied
index of clonal diver sity. Abbreviations correspond to the po pulation IDs in Table 1. Standard derivations (SD)
are given in parentheses.
Population N G R
BD 3 2 0,5
BN 331
BS 510
BUL 10 10 1
BUR 14 13 0,92
CB 6 2 0,2
DO 310
DZ 10 10 1
EG 10 90,89
FM 6 2 0,2
GM 11 90,8
HB 410
HM 551
HU 11 60,5
HW 13 90,67
LB 310
LH 11 10 0,9
LM 1 1 nd
LN 6 3 0,4
LS 11 90,8
MC 10 10 1
MD 10 20,11
MK 221
MR 12 11 0,91
MU 331
NB 510
NO 11 90,8
OB 310
OM 10 90,89
PB 10 10 1
RD 10 10 1
RN 210
RV 221
Mittelwert 7,15 (3,92) 5,39 (4,09) 0,61 (0,5)
3.4 Einuss der Populationsgröße auf das Geschlechterverhältnis und der daraus resultierende
Erfolg der sexuellen Reproduktion
Die Patches beinhalteten in 89 % der Fälle nur ein Geschlecht. Das Verhältnis zwischen männlichen und
weiblichen Patches war in vielen der beprobten Populationen von A. dioica mäßig bis stark unausgegli-
chen (Abb. 5). Sieben Populationen beinhalteten einen höheren Anteil an männlichen Patches, während
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 71
19 Populationen einen höheren Anteil an weiblichen Patches aufwiesen. Unter den untersuchten Popula-
tionen befanden sich vier rein männliche und neun rein weibliche Bestände.
Abb. 5 Prozentuale Verteilung der Geschlechter innerhalb der Populationen. Zwei geschlechtliche Patches wurden
für die Berechnung des Geschlechterverhältnisses als zwei verschiedene Patches mit unterschiedlichen Ge-
schlechtern betrachtet. Die Abkürzungen der Populationen sind Tab. 1 zu entnehmen.
Fig. 5 Proportion of male, female and non-owering patches within the populations. In patches containing males and
females, both sexes were considered as two distinct patches, and thus, included twice for the calculation of the
sex ratio. Abbreviations correspond to the population IDs in Table 1.
Abb. 6 Prozentuale Abweichung vom optimalen Geschlechterverhältnis (66 %) in Abhängigkeit von der Populations-
größe (y-Achse logarithmiert). Die Linie zeigt die Vorhersage des linearen Modells.
Fig. 6 Percental derivation from the optimum sex ratio (66 %) in dependence on the population size. The line repre-
sents the prediction of the linear model (y-axis logarithmised).
Der prozentuale Anteil weiblicher Patches in kleinen Populationen (ein bis 15 Patches) schwankte zwi-
schen 0 und 100 %. In den mittelgroßen Populationen (16 bis 40 Patches) lag der Anteil der weiblichen
72 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
Patches zwischen 32 und 66 %, während dieser sich in den großen Populationen (> 40 Patches) zwi-
schen 52 und 73 % bewegte. Die Schwankungen des prozentualen Anteils männlicher und weib licher Pat-
ches nahmen mit zunehmender Populationsgröße ab (Parameterschätzer =– 0,7, F(1) = 23,67, p < 0,001,
Abb.6).
Abb. 7 Prozentuales Verhältnis von fertilen zu sterilen Früchten der Kategorie 1 und Kategorie 2. Die Abkürzungen
der Populationen sind Tab. 1 zu entnehmen.
Fig. 7 Proportion of fertile vs. sterile achenes of the category 1 and category 2. Abbreviations correspond to popula-
tion IDs in Table 1.
Die Anteile an fertilen Achänen waren in den Populationen mäßig hoch bis sehr gering (Abb. 7), wobei
er in den vier Populationen BUL, BUR, HM, OM vergleichsweise hoch war (38 bis 58 %). In acht Be-
ständen (MC, GM, DZ, HW, EG, LS, MR, BD) wurden nur sehr wenige fertile Früchte (1 bis 17 %) und
in fünf Populationen (FM, LH, MU, NO, RN) gar keine produziert. Die Anteile an sterilen Achänen der
Kategorie 1 waren verhältnismäßig gering und schwankten in den Populationen zwischen 0 und 30 %. Die
Anteile an sterilen Achänen der Kategorie 2 schwankten in den beprobten Beständen zwischen 33 und
100 %. Insgesamt waren nur in sieben der 17 Populationen mehr als 5 % der gesammelten Achänen fertil
(Tab. 4). Der Anteil fertiler Achänen nahm mit der Anzahl der Patches in den Populationen signikant zu
(Parameterschätzer = 0,004, F(1) = 7,132, p < 0,05), während der Anteil steriler Achänen der Kategorie 2
mit zunehmender Bestandsgröße abnahm (Parameterschätzer =– 0,004, F(1) = 5,166, p < 0,05). Der pro-
zentuale Anteil der weiblichen Patches hatte keinen signikanten Einuss auf die Fertilität der Achänen
in den Populationen.
Aufgrund des geringen Anteils fertiler Achänen (vgl. Abb. 7) waren in nur sieben von 17 Populationen
genügend fertile Achänen für einen Keimversuch vorhanden. Die Keimfähigkeit der fertilen Achänen
unter schied sich zwischen den Populationen sehr stark (Abb. 8). Die höchste Keimung wiesen die Popu-
lationen BUR (92,8 %) und BUL (80,8 %) auf. Die Populationen MC, OM, und HM zeigten sehr ähnliche
Keimverläufe mit einer Keimung von 52 bis 55,2 %. Das geringste Keimvermögen wiesen die Popula-
tionen DZ (19,6 %) und GM (6,8 %) auf. Die meisten Diasporen keimten zwischen dem siebten und 13.
Tag. Danach liefen kontinuierlich weniger Achänen bis zum Ende der 45tägigen Beobachtungszeit auf.
Weder die Populationsgröße noch der Anteil der weiblichen Patches hatten einen signikanten Einuss
auf die Keimfähigkeit.
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 73
4 Diskussion
4.1 Bestimmung der Populationsgröße der untersuchten A. dioica-Populationen
Im Untersuchungsgebiet kommt A. dioica heute nur noch in wenigen und meist sehr kleinen Populationen
vor. 23 von 32 Populationen bestanden aus weniger als zehn Patches. In elf Populationen konnte nur ein
Patch gefunden werden. Ebenso war die kumulative Patchäche der Populationen meist gering: elf der
Vorkommen wiesen eine kumulative Fläche von weniger als einem Quadrat meter auf. Wir können keine
validierten Aussagen bezüglich der Bestandsentwicklungen machen, da wir bis auf eine Population (LH)
ausschließlich Daten zu den Populationsgrößen in 2010 aufnehmen konnten. Der Rückgang an Patches,
der exemplarisch in der Population LH zwischen 2009 und 2010 zu beobachten war, sowie die meist sehr
kleinen Populationsgrößen legen jedoch die Vermutung nahe, dass sich die Art im Untersuchungs gebiet
im Rückgang bendet. Diese stützt sich auf Literaturangaben, die beschreiben, dass die Vorkommen der
Art im Untersuchungsgebiet rapide zurück gehen (Frank & Neumann 1999, Fukarek & Henker 2006,
Romahn 2009, Blachnik 2009, 2012, Richter & Blachnik 2013). Auch in vergleichbaren Tieand-
Tab. 4 Geschlechterverhältnis und Anteil keimfähiger Achänen in den Populationen. : Anzahl weiblicher Patches;
: Anzahl männlicher Patches; ♀♂: Anzahl an Patches, in denen beide Geschlechter gefunden wurden; n. b.
= Anzahl nicht blühender Patches; steril 1 = Anteil steriler Achänen der Kategorie 1; steril 2 = Anteil steriler
Achänen der Kategorie 2; fertil = Anteil steriler Achänen; n. u. = nicht untersucht.
Tab. 4 Sex ratio and proportion of fertile achenes of the investigated populations. : number of female patches; :
number of male patches; ♀♂: number of patches including both sexes; n. b. = non-owering patches; steril 1 =
proportion of sterile achenes of the category 1; steril 2 = proportion of sterile achenes of the category 2; fertil
= proportion of fertile achenes; n. u. = not analysed.
Population Anzahl Patches
n. b. fertil steril 1 steril 2
BD 4 1102243755
BS 1 1000n. u. n. u. n. u.
BUL 176 65 40 10 61 1948 66 1335
BUR 47 29 9451542 293 993
DZ 48 27 9 1 11 132 10 2642
EG 7 410211 8756
FM 1 100000214
FR 3 1200n. u. n. u. n. u.
GM 36 12 9 0 14 473 1646 3350
HB 1 1000n. u. n. u. n. u.
HM 1 0010787 220 488
HU 4 3001n. u. n. u. n. u.
HW 3 011159 145 1108
LB 1 100000321
LH 7 4111001956
LN 1 0100n. u. n. u. n. u.
LO 1 0100n. u. n. u. n. u.
LS 8 511110210
MC 12 6312375 2350 97
MD 1 1000n. u. n. u. n. u.
MK 2 0011n. u. n. u. n. u.
MR 64 22 18 20 2552012
MU 3 110100335
NB 1 0100n. u. n. u. n. u.
NO 7 100600225
OB 2 2000n. u. n. u. n. u.
OM 12 72121045 76 1634
PB 30 18 820n. u. n. u. n. u.
RD 39 10 24 3 3 n. u. n. u. n. u.
RN 1 0001004760
RV 1 0100n. u. n. u. n. u.
74 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
Abb. 8 Kumulativer Keimungsverlauf in den untersuchten Populationen von A. dioica in Abhängigkeit von der Zeit.
Die Abkürzungen der Populationen sind Tab. 1 zu entnehmen.
Fig. 8 Cumulative germination of the investigated A. dioica-populations. Dots represent the means of the cumulative
germination ratio in dependence on the time of the germination experiment. Abbreviations correspond to the
population IDs in Table 1.
gebieten Mitteleuropas wurden schon seit Längerem starke Rückgänge der Bestände beobachtet (z. B. in
den Niederlanden: Kowarik & Sukopp 1984, in Süddeutschland: Zimmermann 1996, Schwabe 1990,
Feldt 2008 oder in Großbritannien: Peering & Walters 1982).
4.2 Einuss der Habitateigenschaften auf die Fitness von A. dioica
Ebenso wie Feldt (2008) konnten wir in unseren Beobachtungen feststellen, dass die achwurzelnde
Art A. dioica Habitate mit niedriger Bodentiefgründigkeit besiedelt (Median im Zentrum = 13 cm). Die
Bodentiefgründigkeit war im Zentrum der untersuchten Patches signikant geringer als an der Periphe-
rie. Dies zeigt, dass sich A. dioica mit zunehmender Tiefgründigkeit des Bodens schlechter im Habitat
behaupten kann. Feldt (2008) interpretierte das als Effekt zunehmender Konkurrenz von Arten, die bei
größerer Tief gründigkeit des Bodens vorkommen, da sie höhere Ansprüche an die Substratverhältnisse
haben als A. dioica. Steigt die Tiefgründigkeit des Bodens, sind eine bessere Wasser versorgung und eine
weitrei chende Durchwurzelung des Bodens für die Sorption verschieden ster Nährstoffe gewähr leistet,
wodurch die oberirdische panzliche Biomasse zunimmt (Belcher et al. 1995).
Eutrophierung und die Aufgabe traditioneller Landnutzung führen zur Veränderung der Artenzusammen-
setzung halbnatürlicher Trocken- und Halbtrockenrasen, wobei vor allem Magerkeitszeiger durch produk-
tivere Arten ersetzt werden (Bobbink et al. 2010, Poschold et al. 2005). Antennaria dioica wird für diese
Prozesse als Modellorganismus betrachtet, da sie besonders sensitiv auf solche Habitatveränderungen re-
agiert (Schwabe 1990). So wurde die Art als „Magerkeitszeiger per excellence“ (Schroeter 1926) bzw.
als „charak teristisch düngeriehende Art“ (Braun-Blanquet 1949) beschrieben. Der Stickstoffgehalt
des Bodens war dementsprechend sehr niedrig, zeigte allerdings keinen direkten Einuss auf die Fitness
von A. dioica. Die Höhe der Umgebungs vegetation hing signikant vom Stickstoffgehalt des Bodens ab.
Ein positiver Einuss des Stickstoff gehaltes auf die Vegetationshöhe und somit die Produktivität einer
Panzengesellschaft wurde bereits von Bobbink et al. (1998) dokumentiert. Mit dem verwendeten Pro-
tokoll konnten wir jedoch nur den Gesamtstick stoffgehalt messen, nicht die für die Panzen wichtigeren
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 75
frei-verfügbaren Ionen (vgl. Kaye & Hart 1997). Zukünftige Untersuchungen sollten daher versuchen,
die Bodenverhältnisse genauer zu differenzieren.
Mit zuneh mender Höhe der Umgebungsvegetation wurde eine Abnahme der Reproduktions fähigkeit von
A. dioica nachgewiesen, was sich sowohl in der vegetativen Reproduktion (hier als Verhältnis von juve-
nilen zu adulten Rosetten) als auch in der sexuellen Reproduktion (hier als Verhältnis von blühenden zu
nicht blühenden Rosetten) zeigte. Der Zusammenhang zwischen der Höhe der Umge bungs vegetation und
der Fitness lässt vermuten, dass die Reproduktionsfähigkeit der Art unter gesteigertem inter spezischem
Konkur renzdruck leidet. Onipchenko et al. (2009) führten in diesem Zusammenhang ein „Neighbour-
Removal“-Experiment im Kaukasus durch. Im Gegensatz zur Mehrzahl der untersuchten Arten reagierte
A. dioica auf die Entfernung der umliegenden Vegetation mit einer Erhöhung der Biomasse.
Im mitteleuropäischen Tieand besiedelt die Art kurzrasige Trocken- und Halbtrocken rasen. Die Entste-
hung solcher Xerothermrasen wurde durch Nährstoff entzug und Konkurrenz minderung infolge anthropo-
gener Nutzungs formen wie Beweidung begünstigt (Ellenberg et al. 2001). In diesem Zusammenhang
zeigte sich, dass in 22 der 32 untersuchten Populationen verschiedenste Pegemaßnahmen durchgeführt
wurden (vgl. Tab. 1). Partzsch (2001) stellte dementsprechend dar, dass die Art eine Zeigerart historisch
alter, traditionell beweideter Xerothermrasen ist. Für einen dauerhaften Erhalt der heute noch vorhan-
denen A. dioica-Populationen im Untersuchungsgebiet sollte deshalb vor allem die Beweidung als Pe-
gemaßnahme durchgeführt werden.
4.3 Kennzeichnung der klonalen Struktur der A. dioica-Populationen
In 89 % der blühenden Patches wurde nur ein Geschlecht gefunden. Dies stellt ein Indiz dafür dar, dass ge-
nerell nur eine geringe Anzahl an Genotypen in einem Patch zu erwarten ist. Dementsprechend wurden in
den genotypischen Unter suchungen dieser Studie meist nur sehr wenige oder nur ein Genet innerhalb der
Patches vorgefunden. Entgegen der Annahmen von Varga & Kytöviita (2011) waren die untersuchten
Patches aber nicht immer monoklonal, denn durch sexuelle Reproduktion innerhalb des Patch oder das
Zusammen wachsen unterschiedlicher Patches können mehrere Genotypen in einem Patch vorhanden sein
(Urbanska 1985). Insbesondere in größeren Populationen, in denen es noch ausreichend sexuelle Re-
produktion gibt (z. B. BUR mit 47 Patches, über 50 % Anteil fertiler Achänen, die zu 92,8 % keimfähig
waren), ist es sehr wahrscheinlich, dass Achänen innerhalb eines Patch auskeimen und dort einen neuen
Genet etablieren (z. B. in BUR wurden fünf Proben aus einem Patch analysiert und dabei vier Genets
detektiert). Im Gegensatz dazu können durch klonale Fragmentierung eines Patch auch zwei Patches ent-
stehen, die aus einem genetisch identischen Individuum bestehen (Urbanska 1992, Pfeiffer 2005). So
wurden für zehn paarweise verglichene Proben Klon paare gefunden, die nicht aus einem gemeinsamen
Patch stammten. Die klonale Strukturierung erwies sich somit als komplex und variierte von Population
zu Population und innerhalb der Populationen von Patch zu Patch. Besonders deutlich wurde dies bei Be-
trachtung der detaillierten Untersuchung der Population LH (Abb. 4). Ähnliche Ergebnisse, die darstell-
ten, dass man die Verteilung der Genets nicht mit der Verteilung von Patches gleichsetzen kann, konnten
zum Beispiel Pornon et al. (2000) zu Rhododendron ferrugineum und Albert et al. (2003) zu Vaccinium
myrtillus darlegen, beide ebenfalls polykarpe Hemikryptophyten. Dies unterstreicht, dass im Zuge wis-
senschaftlicher Arbeiten an Patch bildenden Hemikryptophyten etablierte Markersysteme genutzt werden
sollten, um sich einen Überblick über die klonale Strukturierung der Population zu erarbeiten. Erst mit
Hilfe genotypischer Analysen lassen sich überhaupt die effektiven Populationsgrößen abschätzen. Anten-
naria dioica-Patches bestehen aus bis zu hunderten von Rosetten, deren sichtbare Verknüpfungen (Sto-
lone) innerhalb einer Vegeta tions periode verschwinden (Schwabe 1990). Daher kann der Proben umfang
nicht als ein absolut robustes Maß fungieren, sondern nur als Abschätzung der Anzahl an Genets in den
unter suchten Populationen bzw. Patches. Um exakt bestimmen zu können, wie viele Genets in einer Po-
pulation vorhanden sind, müsste ein Vielfaches an Proben analysiert werden.
Anhand unser Genet-Analysen lässt sich annehmen, dass etwa die Hälfte der betrachteten Populationen
des Untersuchungsgebietes aus sehr wenigen Genets besteht (14 von 32, vgl. Tab. 3). Diese 14 Popula-
76 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
tionen können als oligoklonal angesehen werden. In sechs der Populationen wurde sogar nur ein Klon
nachgewiesen. Die sechs gleichmäßig über das gesamte Patch gesammelten Proben der Population NB
(Abb. 3b) deuten stark darauf hin, dass diese Population nur noch aus einem genetischen Individuum be-
steht. Als Ursache für die gefundene Oligoklonalität ist höchstwahrscheinlich die mangelnde Verjüngung
durch ausbleibende Keimlings etablierung anzusehen (vgl. Honnay & Bossuyt 2005).
4.4 Einuss der Populationsgröße auf das Geschlechterverhältnis und die sexuelle Reproduktion
In einem Großteil der untersuchten Populationen wurde ein weiblich dominiertes Geschlechter verhältnis
vorgefunden. Vorangegangene Arbeiten von von Ubisch (1930), Eriksson (1996), Öster & Eriksson
(2007) und Varga & Kytöviita (2011) legten dar, dass das optimale Geschlechterverhältnis in den Po-
pulationen von A. dioica zwischen 2 : 1 und 2,5 : 1 ( : ) liegt. Der hohe Anteil weiblicher Individuen
wirkt sich positiv auf die Gesamtmenge der produzierten Früchte aus (Kaplan 1972), da die zoophile Art
nur bei extrem weiblich dominierten Geschlechterverhältnissen unter Pollenlimitation leidet (Öster &
Eriksson 2007). Unsere Studie bestätigte dieses Optimum, da in den großen Populationen (> 40 Patches)
der Anteil weiblicher Patches zwischen 52 % und 73 % schwankte. Kleine Populationen hatten hingegen
häug ein von diesem Optimum abweichendes Geschlechter verhältnis, sowohl zugunsten des Anteils der
männlichen Patches als auch zugunsten des Anteils der weiblichen Patches. Die effektive Populations-
größe kleiner Populationen wird also zusätzlich durch demograsche Stochastizität in der Geschlechter-
verteilung gesenkt. In kleinen Populationen kann es daher zu Pollen- und Fruchtansatz limitation oder
sogar zum vollständigen Verlust der sexuellen Reproduktionsfähigkeit kommen (Blachnik 2010, 2012).
In unseren Untersuchungen wurde in fast der Hälfte der Populationen (14 von 32) nur ein Geschlecht
nachgewiesen. Ähnliche Ergebnisse zeigte eine aktuelle Untersuchung im Auftrag des Bayerischen
Landesamtes für Umwelt, in der nur 4 von 15 Populationen beide Geschlechter enthielten (Richter &
Blachnik 2013).
In unserer Studie wurden in der Mehrzahl der A. dioica-Populationen ein sehr geringer Fruchtansatz und
somit gravierende Verluste in der sexuellen Reproduktionsfähigkeit beobachtet. Es konnten in fünf von 17
Populationen keine keim fähigen Achänen gesammelt werden. In weiteren fünf Populationen waren min-
destens 95 % der untersuchten Achänen steril. Dementgegen lag der Anteil fertiler Achänen in nur drei Po-
pulationen bei über 50 %. Bereits Söyrinki (1954) und Feldt (2008) stellten fest, dass der Fruchtansatz
in natürlichen Populationen von A. dioica häug sehr gering ist und dass das Verhältnis von vegetativer zu
sexueller Reproduktion nicht ausgewogen scheint.
Die Keimfähigkeit der fertilen Achänen variierte zwischen den Populationen sehr stark (zwischen 6 und
98 %), wurde aber von der Populationsgröße und dem Geschlechter verhältnis nicht beeinusst. Eine ähn-
liche Variation der Keimraten zwischen verschiedenen Populationen von A. dioica wurde bereits von Fos-
satti (1980) dokumentiert. Im Gegensatz zur Qualität der fertilen Achänen (Keimfähigkeit) bestand zwi-
schen der Quantität der Früchte und der Populationsgröße ein signikanter Zusammenhang. Der Anteil an
fertilen Früchten nahm mit der Populations größe zu, wohingegen der Anteil an sterilen Achänen der Kate-
gorie 2 abnahm. Diese beobachteten Verluste der Reproduktionsfähigkeit durch geringe Populations größen
bzw. Oligoklonalität stehen im Einklang mit Analysen und zahlreichen Fallstudien zu klonalen Arten (z. B.
Eckert 2002, Kunin 1997, Charpentier et al. 2000). Da vorrangig sterile Achänen der Kategorie 2 ge-
funden wurden, wird die Nichtbefruchtung der Ovarien als Hauptgrund für die vielen beobachteten sterilen
Achänen vermutet. Insbesondere in den kleinen Populationen ndet demzufolge häug kein sexueller Aus-
tausch von Gameten statt. Dies lässt sich damit erklären, dass kleine Populationen zoophiler Panzenarten
aufgrund ihrer geminderten Attraktivität für Bestäuber häug unter dem Effekt der Pollenlimitation leiden,
der den Fruchtansatz stark dezimieren kann (Ågren 1996, Knight et al. 2005). Andererseits kann sich bei
diözischen Arten wie A. dioica auch ein unausgewogenes Geschlechterverhältnis negativ auf den Samenan-
satz auswirken, was wir in unserer Studie jedoch nicht statistisch belegen konnten. In eingeschlechtlichen
Populationen fand eine sexuelle Reproduktion generell nicht statt. Aufgrund des hohen Isolationsgrades
erfolgt auch keine Bestäubung via Fremd pollen anderer Populationen, da laut Feldt (2008) eine solche
Regeneration aus räumlich entfernten Standorten „für A. dioica völlig ausgeschlossen“ erscheint.
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 77
Ein geringer oder ausbleibender Fruchtansatz wirkt sich für alle sexuell reproduzierenden Arten negativ
auf das Populationswachstum aus. Er scheint jedoch für A. dioica besonders gravierend, da Keimlinge
der Art sehr niedrige Etablierungsraten aufweisen (Feldt 2008). Aussaaten auf Erde oder im Freiland
führten, im Vergleich zu Keimexperimenten unter kontrollierten Bedingungen, zu sehr viel geringeren
Keimraten oder zum vollständigen Ausbleiben der Keimung (Fossatti 1980, Perttula 1941, Schwabe
1990). Feldt (2008) führte die geringe Etablierungsrate der Keimlinge darauf zurück, dass die Keimlinge
von A. dioica gegenüber anderen Arten in halbnatürlichen Trockenrasen nicht konkurrenzfähig sind und
schlussfolgerte, dass A. dioica große Mengen an Diasporen benötigt, um die vereinzelt aufkommenden
konkurrenzfreien Vegetations lücken (z. B. Trittstellen) zu besiedeln. In einem Aussaat experiment doku-
mentierte Eriksson (1997), dass nach der Keimung nur acht von 19 000 A. dioica-Achänen in der Lage
waren, sich unter totalem Konkurrenzausschluss zu etablieren. Sobald die Keimlinge interspezischer
Konkurrenz ausgesetzt wurden, konnte sich gar kein Keimling etablieren.
Diese Ergebnisse decken sich mit unseren Beobachtungen im Feld, in denen wir, insbesondere in kleinen
Populationen nahezu keine etablierten A. dioica-Keimlinge vornden konnten (unveröffentlichte Ergeb-
nisse, vgl. Rosche 2011). Nach Feldt (2008) stellt die geringe Achänenproduktion in vielen Populati-
onen in Verbindung mit wenigen Keimungs-Schutzstellen einen bedeutenden Grund für die Rückgänge
von A. dioica dar, da es für die Art essentiell ist, die stochastischen Verluste von Patches und Genets durch
sexuelle Reproduktion zu nivellieren. Ohne Etablierung sexuell reproduzierter Genets verringert sich der
Genpool der Populationen sukzessive, was zum Aussterben kleiner und isolierter Vorkommen von A.
dioica im Unter suchungs gebiet führen kann.
4.5 Implikationen für den Naturschutz
Wir konnten in dieser Studie darlegen, dass die in den vergangenen 50 Jahren beobachteten Aussterbe-
prozesse der A. dioica-Populationen neben verschlechterten Habitat bedingungen (vgl. Blachnik 2009,
Schwabe 1990) auch auf genotypische Verarmung der Populationen und die damit einhergehenden sto-
chastischen Schwankungen im Geschlechter verhältnis zurückzuführen sind. Die daraus resultierende Re-
duktion der sexuellen Reproduktion scheint die beobachteten Populationsrückgänge zu beschleunigen.
Die Ergebnisse dieser Studie müssen als sehr bedrohlich für die verbliebenen A. dioica-Populationen im
Untersuchungsgebiet interpretiert werden. Ohne adäquate Schutzmaß nahmen erscheint der Erhalt der
meisten Populationen unmöglich. Zum einen sollte der Verlust von Genotypen durch Anpan zungen neu-
er Genets ausgeglichen werden. Zum anderen sollte darauf geachtet werden, dass ein möglichst optimales
Geschlechter verhältnis innerhalb der Populationen gewährleistet werden kann (60 - 75 % Anteil weib-
licher Patches). Neben der Revitalisierung der sexuellen Reproduktion ist ein geeignetes Management der
Flächen unabdingbar, da in vielen voran gegangenen Studien (z. B. Schwabe 1990, Onipchenko et al.
2009) belegt wurde, dass A. dioica mit konkurrenz armen Phytozönosen assoziiert ist und dass die Etablie-
rung von Keimlingen ausschließlich in konkurrenzfreien Keimungs-Schutzstellen stattndet (Eriksson
1997, Feldt 2008).
Die Ergebnisse unserer Studie deuten darauf hin, dass sich viele der untersuchten Populationen in den
letzten Jahrzehnten nahezu ausschließlich klonal reproduzierten. In diesem Zustand kann A. dioica an-
scheinend je nach Populationsgröße und Management der Flächen einige Jahrzehnte überdauern, verliert
aber sukzessive an Genets und Patches. Der Verlust von Genotypen kann wiederum zu einer weiteren
Reduktion der sexuellen Reproduktion führen. Im Sinne der „route to extinction“-Theorie von Honnay
& Bossuyt (2005) kann ein so entstehender Kreislauf des Verlustes genotypischer Diversität für A. di-
oica zum Aussterben der Populationen im Untersuchungs gebiet führen. Ohne ausreichende sexuelle Re-
produktion sind selbst intensive Pegemaßnahmen auf Dauer wahr schein lich nicht ausreichend um die
aktuellen Bestände von A. dioica zu erhalten. Sexuelle Reproduktion ist für ein dauerhaftes Bestehen von
A. dioica-Populationen essentiell.
78 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
5 Zusammenfassung
Rosche, C., Schrieber, K., Hirsch, H., Blachnik, T., Träger, S., Richter, F., Seidler, G., Hensen,
I.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum in kleinen Populationen von Antennaria dioica (L.)
Gaertner. - Hercynia N. F. 47 (2014): 59– 86.
Habitat fragmentierung und Landnutzungs veränderung können zu kleinen und isolierten Populationen
führen, die eine reduzierte Fitness aufweisen. Dies kann bei Panzen, die sowohl zu sexueller als auch
zu klonaler Reproduktion befähigt sind, zu einer Verschiebung des Gleich gewichts zwischen den beiden
Fortpanzungsformen zu Gunsten der klonalen Reproduktion führen. Der dadurch bedingte Verlust von
Genets verringert die effektive Populationsgröße, was den Rückgang der Art beschleunigen kann. Verstär-
kt trifft dies auf diözische Arten zu, da Populationen, die aus wenigen Genets bestehen, unausge wo gene
Geschlech ter verhältnisse beinhalten können. Dadurch kann die sexuelle Reproduktion weiter verringert
werden oder in eingeschlechtlichen Populationen ganz ausbleiben.
Antennaria dioica ist eine diözische Art, die zur klonalen Reproduktion befähigt ist. Die Art bendet sich
in den mitteleuropäischen Tieändern in einem starken Rückgang, wo sie halbnatürliche, meist artenreiche
Trocken- und Halbtrockenrasen besiedelt. In dieser Studie wurde der Einuss sinkender Populations-
größen auf die klonale Struktur und das Geschlechterverhältnis von A. dioica untersucht. Dabei wurde
analysiert, ob die sexuelle Reproduktion in kleinen Populationen mit unausge wogenen Geschlechterver-
hältnissen beeinträchtigt ist.
In 32 Populationen wurden Daten zur Fitness von A. dioica und den Habitat eigenschaften (Tiefgrün-
digkeit, Stickstoffgehalt des Bodens, Höhe der Umgebungs vegetation) aufge nommen. Um die klonale
Struktur der Populationen zu bestimmen, wurden Blattproben für AFLP-Analysen genommen. In 17 Po-
pulationen wurden Achänen gesammelt und der Anteil steriler und fertiler Früchte sowie deren Keimfä-
higkeit untersucht.
Die meisten der Populationen wiesen weniger als zehn Patches auf. Die Fitness der Art sank mit zuneh-
mender Vegetationshöhe. In der AFLP-Analyse wurden in den kleinen Populationen nur sehr wenige
Genets bestimmt. Die geringen Populationsgrößen bedingten unausgewogene Geschlechterverhältnisse
und einen verminderten Fruchtansatz.
Unsere Studie zeigt, dass genotyp ische Verarmung und Reduktion der sexuellen Reproduk tion zur ge-
genwärtigen Bestandsabnahme von A. dioica im Unter suchungs gebiet beitragen. Erfolgreiche sexuelle
Reproduktion ist jedoch für ein dauerhaftes Bestehen von A. dioica-Populationen essentiell, um stocha-
stische Verluste von Genotypen ausgleichen zu können. Ohne adäquate Schutzmaßnahmen ist der Erhalt
des Großteils der heute vorkommenden Populationen stark gefährdet.
6 Danksagung
Ein großer Dank geht an die technischen Assistenzen Frau Birgit Müller und Frau Christine Voigt für
ihre kompetente Laborunterstützung. Zwei anonymen Gutachtern und Dr. Monika Partzsch verdanken
wir sehr hilfreiche Kritiken, die das Manuskript bedeutend verbessert haben. Wir danken zahlreichen
hilfsbereiten Mitarbeitern von diversen Naturschutzvereinen und–ämtern, die uns die Populationen vor
Ort vorgestellt haben, Proben sammelten und uns wertvolle Hintergrundinformationen zu den Populati-
onen vermitteln konnten. Für das Korrekturlesen des Manuskriptes und wertvolle Anregungen danken wir
herzlich Frau Isabel Link und Frau Angela Rosche.
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 79
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Manuskript angenommen: 15. September 2014
Anschrift der Autoren:
Christoph Rosche, Karin Schrieber, Prof. Dr. Isabell Hensen, Gunnar Seidler
Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg, Institut für Geobotanik & Botanischer Garten
Am Kirchtor 1, 06108 Halle (Saale)
Email: christoph.rosche@botanik.uni-halle.de,
karin.schrieber@botanik.uni-halle.de,
isabell.hensen@botanik.uni-halle.de,
gunnar.seidler@botanik.uni-halle.de
Dr. Heidi Hirsch
Stellenbosch University, Department of Botany & Zoology, Centre for Invasion Biology
Matieland, Western Cape, 7602, South Africa
Email: Hirsch@sun.ac.za
Thomas Blachnik
Agentur und Naturschutzbüro Blachnik
Guntherstraße 41, 07743 Nürnberg
Email: info@agentur-blachnik.de
Sabrina Träger
University of Regina, Department of Biology
3737 Wascana Parkway, Regina, SK, S4S 0A2, Canada
Email: trger20s@uregina.ca
Frank Richter
TU Dresden, Institut für Botanik
Zellescher Weg 20b, 01062 Dresden
Email: frank.richter@tu-dresden.de
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 83
Anhang:
DNA-Extraktion
Von den auf Silicagel getrockneten Blattproben wurden 15 mg abgewogen. Die Proben wurden zusam-
men mit zwei sterilen Keramikkugeln und einer Löffelspitze Seesand in ein 2,2-ml Tube gegeben und
anschließend bei–20 °C eingefroren. Im Tissue-Lyser (Retsch, Haan-Gruiten, GER) wurden die Proben
im gefrorenen Zustand staubfein zermahlen. Alle Proben wurden dabei viermal für 30 Sekunden bei einer
Frequenz von 20 Hz geschüttelt. Nach dem Mahlen wurden 1 ml 55 °C warmer ATMAB-Puffer und 50
µl DTT-Lösung (20 µg/ml) den Proben zugegeben. Die Tubes wurden auf einem Vortexer durchmischt
bis eine einheitliche grüne Emulsion entstand. Es folgte eine einstündige Inkubation der Emulsion im
Thermomixer Comfort (Eppendorf, Hamburg, GER) bei 55 °C und 900 rpm. Auf die anschließend im
Kühlschrank abgekühlten Proben wurde 400 µl Dichlormethan gegeben. Nach einer Durchmischung mit
dem Vortex erfolgte eine Zentrifugation mit der Zentrifuge 5415 R (Eppendorf, Hamburg, GER). Aus dem
entstandenen Zweiphasensystem wurden 700 µl der oberen wässrigen Phase, in welcher die DNA gelöst
war, entnommen. Die Lösung wurde mit 400 µl– 80 °C kaltem, 99 %igem 2-Propanol gefällt. Nach einer
darauffolgenden Zentrifugation wurde das Lösungsmittel verworfen und die verbliebenen grauen Pellets
für 30 Minuten im Trockenschrank (Heraeus, Hanau, GER) bei 45 °C getrocknet. Die getrockneten Pellets
wurden mit Ethanol (76 %;–20 °C) gewaschen. Das entstandene weiße Pellet wurde eine Stunde bei 45 °C
getrocknet und in 1 x TE-Puffer mit RNAse A (0,1 µg/ml) resuspendiert. Die Resuspensionen wurden 30
Minuten bei 37 °C im Block Heater (Stuart Scientic, Staffordshire, UK) inkubiert.
DNA-Konzentrationsmessung
1 µl der extrahierten Stammlösung (“stocksolution“) wurde am NanoDrop ND-1000 Spectrophotometer
(Nanodrop Technologies, Wilmington, USA) mit Hilfe der zugehörigen Software NanoDrop 1000 Ope-
rating Software ver. 3.7.1 (Nanodrop Technologies, Wilmington, USA) gemessen. Die Stammlösungen
wurden mit 1 x TE auf eine Konzentration von 20 ng/µl verdünnt. Da die Messungen nicht fehlerfrei sind,
wurden die verdünnten Gebrauchslösungen anschließend wieder gemessen und bezüglich ihrer Konzen-
trationen überprüft. Wenn eine Konzentration > 25 ng/µl oder < 15 ng/µl gemessen wurde, wurde die
Gebrauchslösung erneut mit 1 x TE bzw. der Stammlösung auf 20 ng/µl eingestellt.
Die Reihenfolge der Gebrauchslösungen der Proben und ihrer Wiederholungen wurde nach der Verdün-
nung randomisiert. Somit wurde eine anonyme und objektive Auswertung der Proben ermöglicht, die un-
abhängig von der jeweiligen 96-well-Platte und deren Position auf dieser Platte war. Für die Restriktion-
Ligation (ReLi) wurden 5 µl der Gebrauchslösung mit 6 µl ReLi-Mastermix (Tab. A.1) gemischt.
Tab. A.1 Zusammensetzung des Mastermixes für die Restriktion-Ligation.
Tab. A.1 Composition of master mix used for restriction-ligation
Volumen pro Probe in µl
H2O bidest. 0,73
T4 DNA Ligase-Puffer 1,10
NaCl 0,5 M 1,10
BSA 1 mg/ml 0,55
MseI Adapter 50 µm 1,00
EcoRI Adapter 5 µm 1,00
MseI Enzyme 10 U/µl 0,10
EcoRI Enzyme 20 U/µl 0,25
T4 DNA Ligase 6 U/µl 0,17
Gesamt 6,00
84 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
In dem Thermocycler Mastercycler epgradient S (Eppendorf, Hamburg, GER) wurde die Reaktionslö-
sung für drei Stunden bei 37 °C und nachfolgend für zehn Minuten bei 65 °C erwärmt.
Die verwendeten Adapter hatten folgende Nukleotidzusammensetzung:
MseI adapter 1/2 5´-GACGATGAGTCCTGAG-3´
MseI adapter 2/2 5´-TACTCAGGACTCAT-3´
EcoRI adapter 1/2 5´-CTCGTAGACTGCGTACC-3´
EcoRI adapter 2/2 5´-AATTGGTACGCAGTCTAC-3´
Das entstandene Reaktionsprodukt wurde mit 39 µl bidestilliertem, sterilem Wasser verdünnt. In der nach-
folgenden Präamplikation (PA) wurden von dieser Lösung 4 µl mit 16 µl PA-Mastermix (Tab. A.2)
zusammenpipettiert.
Tab. A.2 Zusammensetzung des Mastermixes für die Präamplikation.
Tab. A.2 Composition of master mix used for pre-amplication.
Volumen pro Probe in µl
H2O bidest. 9,70
PCR Puffer 10 x 2,00
MgCl2 50 mm 0,60
dNTPs 2,5 mm 1,60
MseI Präprimer 5 pmol/µl 1,00
EcoRI Präprimer 5 pmol/µl 1,00
Taq 5 U/µl 0,10
Gesamt 16,00
Die Präprimer hatten folgende Sequenz:
MseI Präprimer + C 5´-GATGAGTCCTGAGTAAC-3´
EcoRI Präprimer + A 5´-GACTGCGTACCAATTCA-3´
Der Reaktionsansatz wurde im Thermocycler unter Einuss des nachfolgenden PCR-Zyklus ampliziert:
5 min à 94 °C
20 sec à 94 °C
30 sec à 56 °C
2 min à 72 °C
Das Präamplikationsprodukt wurde mit 180 µl bidestilliertem Wasser verdünnt. Für die anschließende
Hauptamplikation (HA) wurden 3 µl dieser verdünnten Lösung zu 17 µl HA-Mastermix (Tab. A.3) ge-
geben.
20 x
Hercynia N. F. 47 (2014): 59 – 86 85
Tab. A.3 Zusammensetzung des Mastermixes für die Hauptamplikation.
Tab. A.3 Composition of master mix used for main amplication.
Volumen pro Probe in µl
H2O bidest. 9,20
PCR Puffer 10x 2,00
MgCl2 50 mm 0,60
dNTPs 2,5 mm 1,60
EcoRI+ANN (HEX) 1 pmol/µl 1,00
EcoRI+ANN (FAM) 1 pmol/µl 1,50
MseI+CNN 5 pmol/µl 1,00
Taq 5 U/µl 0,10
Gesamt 17,00
In der Bachelorarbeit von Träger (2010) erwiesen sich fünf Primerkombinationen für Untersuchungen
an A. dioica als besonders gut geeignet. Aus diesen wurden vier Primerkombinationen ausgewählt und
für die HA verwendet. In jeden der beiden HA-Ansätze wurden jeweils zwei verschiedene EcoRI-Primer
und ein MseI-Primer gegeben. Somit wurden zwei HAs mit vier Primerkombinationen durchgeführt (Tab.
A.4). Die Amplikate lassen sich dadurch unterscheiden, dass die beiden EcoRI-Primer mit zwei ver-
schiedenen Farbstoffen (HEX– gelb; FAM– blau) gelabelt wurden.
Der Reaktionsansatz wurde im Thermocycler folgendem PCR-Programm ausgesetzt:
1 min à 95 °C
20 sec à 94 °C
30 sec à 65 °C– 1 °C
2 min à 72 °C
20 sec à 94 °C
30 sec à 56 °C
124 sec à 72 °C
Nach der Hauptamplikation wurden die Produkte mit 10 µl bidestilliertem Wasser verdünnt und mit
Hilfe einer Multi-well Filter Plate (Pall Corporation, Port Washington, U.S., Porendurchmesser = 1,2 µm),
die mit gequollenem Sephadex G-50 Superne powder (GE Healthcare, Chalfont St Giles, UK) gefüllt
wurde, gereinigt. Anschließend wurden 4 µl der gereinigten Lösung der Hauptamplikate mit 5 µl eines
ET-Rox-Mastermixes (Tab. A.5) versetzt. Ein Sequencer-Lauf dauerte 80 Minuten bei einer Laufspan-
nung von 10 V. Die Injektionszeit betrug 90 Sekunden bei einer Injektionsspannung von 2 V.
10 x
30 x
86 Rosche et al.: Sexuelle Reproduktion und klonales Wachstum von Antennaria dioica
Tab. A.4 Primerkombinationen der beiden Hauptamplikationen (HA).
Tab. A.4 Primer set in the two main amplications.
EcoRI MSEI
HA1
5´-GACTGCGTACCAATTCAAG-3´ (FAM) 5´-GATGAGTCCTGAGTAACTT-3´
5´-GACTGCGTACCAATTCAGC-3´ (HEX)
HA2
5´-GACTGCGTACCAATTCAAG-3´ (FAM) 5´-GATGAGTCCTGAGTAACAC-3´
5´-GACTGCGTACCAATTCAGC-3´ (HEX)
Tab. A.5 Zusammensetzung des ET-Rox-Mastermixes.
Tab. A.5 Composition of the ET-Rox-master mix
Volumen pro Probe in µl
H2O bidest. 4,75
ET-Rox 400 Längenstandard 0,25
Gesamt 5,00
Statistische Modelle
Die Tiefgründigkeit des Bodens wurde in einem LME in Abhängigkeit zur Position der Messung (Zen-
trum vs. Peripherie) gesetzt. Zur Untersuchung des Einusses der Habitateigen schaften auf die Repro-
duktion von A. dioica, wurden in GLMEs die Abhängigkeiten der Blühfähigkeit und der vegetativen
Verjüngung von der Höhe der Umgebungsvegetation bzw. vom Stickstoffgehalt des Bodens analysiert.
Da auch das Geschlecht der Patches diese Variablen beeinussen kann, wurde es als Korrekturvariable
mit in das Modell einbezogen.
Um zu untersuchen, ob abnehmende Populationsgrößen eine Zunahme der Stochastizität in der Ge-
schlechterverteilung bedingen, wurde in einem GLM untersucht, ob die Abweichung vom optimalen
Geschlechterverhältnis (66 % weibliche Individuen nach Varga & Kytoviita 2011) von der Populati-
onsgröße abhängt.
Um den Einuss der Populationsgröße und der Geschlechterverteilung auf die sexuelle Reproduktion zu
untersuchen, wurden die Abhängigkeiten des Verhältnisses von fertilen zu sterilen Achänen (GLME) und
der Keimfähigkeit (LME) von der Populationsgröße (linearer Term) und vom prozentualen Anteil weib-
licher Individuen in der Population (quadratischer Term) untersucht. Der quadratische Term steht hierbei
für ein Szenario, bei dem der Reproduk tion serfolg bis zu einem bestimmten Anteil an weiblichen Patches
steigt, jedoch danach wieder abfällt.
Nicht signikante Terme wurden auf Basis von “maximum likelihood ratio tests“ aus den vollen Modellen
mit allen erklärenden Variablen entfernt bis das minimal adäquate Modell erreicht wurde.
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Chapter
Most plants combine sexual and clonal reproduction, and the balance between the two may vary widely between and within species. There are many anecdotal reports of plants that appear to have abandoned sex for clonal reproduction, yet few studies have quantified the degree of sexual variation in clonal plants and fewer still have determined the underlying ecological and/or genetic factors. Recent empirical work has shown that some clonal plants exhibit very wide variation in sexual reproduction that translates into striking variation in genotypic diversity and differentiation of natural populations. Reduced sexual reproduction may be particularly common at the geographical margins of species’ ranges. Although seed production and sexual recruitment may often be limited by biotic and abiotic aspects of the environment in marginal populations, genetic factors, including changes in ploidy and sterility mutations, may also play a significant role in causing reduced sexual fertility. Moreover, environmental suppression of sexual recruitment may facilitate the evolution of genetic sterility because natural selection no longer strongly maintains the many traits involved in sex. In addition to the accumulation of ‘neutral’ sterility mutations in highly clonal populations, the evolution of genetic infertility may be facilitated if sterility is associated with enhanced vegetative growth, clonal propagation or survival through either resource reallocation or pleiotropy. However, there are almost no experimental data with which to distinguish among these possibilities. Ultimately, wide variation in genotypic diversity and gene flow associated with the loss of sex may constrain local adaptation and the evolution of the geographical range limit in clonal plants.
Article
Landscape modification and habitat fragmentation are key drivers of global species loss. Their effects may be understood by focusing on: (1) individual species and the processes threatening them, and (2) human-perceived landscape patterns and their correlation with species and assemblages. Individual species may decline as a result of interacting exogenous and endogenous threats, including habitat loss, habitat degradation, habitat isolation, changes in the biology, behaviour, and interactions of species, as well as additional, stochastic threats. Human-perceived landscape patterns that are frequently correlated with species assemblages include the amount and structure of native vegetation, the prevalence of anthropogenic edges, the degree of landscape connectivity, and the structure and heterogeneity of modified areas. Extinction cascades are particularly likely to occur in landscapes with low native vegetation cover, low landscape connectivity, degraded native vegetation and intensive land use in modified areas, especially if keystone species or entire functional groups of species are lost. This review (1) demonstrates that species-oriented and pattern-oriented approaches to understanding the ecology of modified landscapes are highly complementary, (2) clarifies the links between a wide range of interconnected themes, and (3) provides clear and consistent terminology. Tangible research and management priorities are outlined that are likely to benefit the conservation of native species in modified landscapes around the world.
Book
The new edition of Seeds contains new information on many topics discussed in the first edition, such as fruit/seed heteromorphism, breaking of physical dormancy and effects of inbreeding depression on germination. New topics have been added to each chapter, including dichotomous keys to types of seeds and kinds of dormancy; a hierarchical dormancy classification system; role of seed banks in restoration of plant communities; and seed germination in relation to parental effects, pollen competition, local adaption, climate change and karrikinolide in smoke from burning plants. The database for the world biogeography of seed dormancy has been expanded from 3,580 to about 13,600 species. New insights are presented on seed dormancy and germination ecology of species with specialized life cycles or habitat requirements such as orchids, parasitic, aquatics and halophytes. Information from various fields of science has been combined with seed dormancy data to increase our understanding of the evolutionary/phylogenetic origins and relationships of the various kinds of seed dormancy (and nondormancy) and the conditions under which each may have evolved. This comprehensive synthesis of information on the ecology, biogeography and evolution of seeds provides a thorough overview of whole-seed biology that will facilitate and help focus research efforts.
Article
Life strategy systems of xerothermic grasslands - mechanisms of reproduction and colonization within Stipetum capillatae s.l. and Adentrio - Brachypodietum pinnati. Life strategy systems of two xerothermic grassland types (Stipetum capillatae s.l., Adonido-Brachypodietum pinnati) were studied. Five different life strategies are established. A detailed weighted analysis based on the Mean group quantity fraction shows that mainly the community-specific soil water conditions effect a different significance of predominant colonization and reproduction mechanisms. Within both communities, Perennial stayers of hemicryptophytic life form are best adapted to this habitat. The most important life strategy within the summer-dry Stipetum capillatae s.l. is that of Perennial stayers with long- and short-range dispersal, with sexual reproduction (PTE(s)). Site colonization and maintenance takes place through generative, long- and short-range dispersed diaspores, with clohal reproduction having a lower significance. By contrast, within Adonido-Brachypodietum pinnati characterized by mine moderate water conditions, Perennial slayers with long- and short-range dispersal, with clonal reproduction (PTE(cl)) clearly dominate. Habitat is maintained by vegetative dispersal, and genorative diaspores are produced infrequently. Within the grassland communities, there is a strong tendency towards short-range dispersal. Yet, within Stipetum capillatae, polychorous species characterized by additional adaptations of epizoochorous long-range dispersal, are biologically significant as well. From the results of the present analysis, different measures of habitat conservation can be derived.