Martin Barow

Beziehungen zwischen Genomgröße, Basenzusammensetzung und Endopolyploidie bei Samenpflanzen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 27.08.2003

Abstract
Es war eine negative Korrelation zwischen AT-Gehalt der Kern-DNA und Genomgröße bei Samenpflanzen angenommen worden. Diese Annahme wurde durch die durchflusszytometrische Untersuchung von 54 Pflanzenarten aus 17 Familien nicht bestätigt. Stattdessen zeigten sich teilweise signifikant unterschiedliche AT-Bereiche zwischen den untersuchten Familien, allerdings ohne einen phylogenetischen Zusammenhang oberhalb der Familien-Ebene. Erschwert wird die durchflusszytometrische Untersuchung des exakten AT/GC-Verhältnisses durch den Einfluss der nicht-zufälligen Basensequenz auf die Bindung basenspezifischer Fluorochrome. Vergleiche mit hochleistungsflüssigchromatografischen Ergebnissen zeigen, dass die durchflusszytometrischen Ergebnisse zwar nicht das exakte AT/GC-Verhältnis aber die Größenordnungen des AT/GC-Verhältnisses zwischen den Arten gut wiedergeben. Aufgrund der nicht-stöchiometrischen Bindung basenspezifischer Fluorochrome an die DNA wurde statt des absoluten AT-Anteils ein Farbstofffaktor als relative Größe aus basenspezifischer und basenunspezifischer Fluoreszenz (Propidiumjodid) zweier Arten berechnet.
Endopolyploidie in Samenpflanzen ist Literaturangaben zufolge abhängig von Genomgröße, Familien und Organ. Die durchflusszytometrische Untersuchung von 54 Pflanzenarten aus 16 Familien zeigt einen engen Zusammenhang der Endopolyploidie mit der Familienzugehörigkeit, einen weniger engen mit dem Organ und Lebensform und Lebensdauer und einen schwachen mit der Genomgröße. Diese vier Faktoren der Endopolyploidie sind jedoch nicht unabhängig voneinander, zudem bestand kein phylogenetischer Zusammenhang oberhalb der Familien-Ebene, so dass der Faktor Familienzugehörigkeit andere ursächliche Zusammenhänge (mit Genomgröße und Lebensdauer) evtl. nur überdeckt. Die Betrachtung von Nährstoffanspruch und Habitat von 15 mitteleuropäischen Arten zeigt, dass Endopolyploidie v. a. in ein- bis zweijährigen Arten gestörter Habitate mit hohen Nährstoffansprüchen auftritt. Da Endopolyploidisierung wahrscheinlich das Wachstum einer Pflanze beschleunigt, treten endopolyploide Arten in Habitaten auf, die eine schnelle Entwicklung erfordern und unterstützen.

A negative correlation between genome size and AT/GC-ratio in seed plants has been claimed. This assumption was not confirmed by the flow cytometric analysis of 54 plant species belonging to 17 families. Instead of that, partly significant differences between the families with respect to their range of AT/GC-ratios were found but without a phylogenetic coherence above the family level. The flow cytometric analysis of the exact AT/GC-ratio in plants is hampered by the influence of the non-randomness of the DNA base sequence on binding of base specific fluorochromes. Nevertheless, the comparison with HPLC results reveals, that flow cytometric results do not reflect the exact AT/GC-ratio but the dimensions of AT/GC-ratios between species. Because of the non-stoechiometric binding of base specific dyes to DNA, instead of absolute AT-fractions, a dye factor was calculated from base specific fluorescence and Propidium iodide fluorescence of two species.
According to literature, endopolyploidy in seed plants is related to genome size, family and organ. The flow cytometric analysis of 54 seed plant species belonging to 16 families reveals that endopolyploidy is closely related to family affiliation, less closely to life history and organ and weakly to genome size. However, the four tested factors are not independent from each other and a phylogenetic coherence above the family level was not discernible. Therefore, other causal relations (with genome size and life history) may just have been covered by the factor family affiliation. Nutritive demands and habitats of 15 Central European species revealed that endopolyploidy is particularly exhibited by species of disturbed habitats with high nutritive demands. Since endopolyploidization probably accelerates growth of plants, endopolyploid species grow in habitats requiring and supporting fast development.

Keywords:
Samenpflanzen, Genomgröße, AT/GC-Verhältnis, basenspezifische Fluoreszenz, nicht-zufällige Basensequenz, Durchflusszytometrie, Endopolyploidie, Lebensstrategie, Nukleotyp, Phänologie

seed plants, genome size, AT/GC-ratio, base-specific fluorescence, non-random base sequence, flow cytometry, endopolyploidy, life strategy, nucleotype, phenology

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (1, I-IV)
1. Einleitung (1-5)
2. Zielstellungen (5-8)
3. Material und Methoden (8-19)
4. Ergebnisse (19-44)
5. Diskussion (45-72)
6. Zusammenfassung (73-75)
7. Literaturverzeichnis (76-86)
Publikationen (87)