Martin Musche

Genetic diversity and plant fitness in Sanguisorba officinalis (Rosaceae) populations supporting an endangered large blue butterfly

Kumulative Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät I der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 10.06.2008

Abstract
Aufgrund menschlicher Aktivitäten ist eine wachsende Anzahl an Pflanzenarten auf kleine und isolierte Populationen beschränkt. Solche Populationen leiden oftmals unter einem Verlust an genetischer Diversität, hervorgerufen durch genetische Drift, Inzucht sowie verminderten Genfluss. Eine mögliche Folge solcher Prozesse ist eine geringe individuelle Fitness welche die Aussterbewahrscheinlichkeit einer Pflanzenpopulation erhöhen, und somit die Bestände assoziierter Organismen gefährden kann. Der Große Wiesenknopf, Sanguisorba officinalis, repräsentiert die einzige Wirtspflanze zweier gefährdeter Ameisenbläulingsarten, Maculinea nausithous und Maculinea teleius. Während der ersten Entwicklungsstadien ernähren sich die Raupen der Ameisenbläulinge von den Blütenständen ihrer Wirtspflanzen bevor sie ihren Lebenszyklus als Sozialparasiten von Myrmica-Ameisen vollenden. In der vorliegenden Dissertation wurden die Interaktionen zwischen dem Dunklen Wiesenknopf-Ameisenbläuling M. nausithous, seiner Wirtspflanze S. officinalis, und seiner Wirtsameise Myrmica rubra untersucht. Im Vordergrund eines Feldexperiments stand die Frage, ob adulte Schmetterlinge in der Lage sind, ihre Wirtsameisen vor der Eiablage zu erkennen. Durch intensive Landnutzung und Nutzungsaufgabe sind viele Schmetterlingspopulationen auf kleine Resthabitate angewiesen, die der Sukzession ausgesetzt sind und nur kleine Populationen der Wirtspflanze S. officinalis beherbergen. Um zu ergründen ob solche Pflanzenpopulationen durch einen Verlust an genetischer Diversität gefährdet sind wurde mit Hilfe von AFLP-Markern deren genetische Struktur untersucht sowie diverse Fitnessmerkmale gemessen. In einem Experiment unter kontrollierten Bedingungen wurde der Frage nachgegangen, ob Mahd und Sukzession Selektionsdrücke auf die Pflanzen ausüben und zu einer genetischen Differenzierung zwischen den Populationen führen. Dieses Experiment wurde auch angelegt, um zu ergründen, ob das Potential den Biomasseverlust durch Mahd zu kompensieren, durch einen etwaigen Verlust an genetischer Diversität beeinträchtigt wird.

A growing number of plant species are restricted to small and isolated populations as a result of human activity. In such populations individual fitness may be reduced due to a loss of genetic variation caused by genetic drift, inbreeding and constricted gene flow. Reduced fitness, in turn, may increase the extinction risk of a population, thereby endangering the persistence of its associated organisms, for example specialized herbivorous insects. The great burnet Sanguisorba officinalis represents the sole host plant of two endangered large blue butterfly species, Maculinea nausithous and Maculinea teleius. Caterpillars of Maculinea butterflies initially feed on the inflorescences of their host plants before they leave the plant and complete their life cycle as social parasites of Myrmica red ants. In the present thesis I investigated the interactions between the dusky large blue, M. nausithous, its host plant S. officinalis, and its host ant Myrmica rubra. The question whether adult butterflies are able to locate their host ants prior to oviposition was in the focus of a field experiment. Due to intensive land use and abandonment, many butterfly populations are restricted to small habitat patches which are exposed to secondary succession, and which carry small populations of the host plant S. officinalis. Using AFLP markers I examined the genetic structure of 24 S. officinalis populations which support the butterfly M. nausithous and measured several fitness traits. The aim was to find out whether these populations may be threatened by a loss of genetic variation. To investigate whether selection pressures associated with mowing and succession may create genetic differentiation between plant populations I grew seedlings originating from regularly mown meadows and successional fallows in a common environment and exposed them to a defoliation treatment. The experiment was also designed to examine whether the ability to compensate for biomass loss caused by mowing may be affected by genetic erosion in the course of habitat fragmentation.

Keywords:
Landbewirtschaftung, genetische Diversität, Habitatfragmentierung, Myrmekophilie, Populationsstruktur, Mahd, Eiablage, Plastizität, Selektion, Sukzession

agricultural practice, genetic diversity, habitat fragmentation, myrmecophily, population structure, mowing, oviposition, plasticity, selection, succession

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