Was treibt die evolutionäre Diversifizierung in einem Biodiversitäts-Hotspot an? Ein 'Next Generation' phylogenetischer Ansatz zum Vergleich von drei Gruppen der Mega-Gattung Erica in der Kapflorenregion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die klassisch-zentrale Frage wie Biodiversität entsteht ist vieluntersucht und hinreichend nicht beantwortet. Bereits Humboldt und Bonpland (1805; 1846) zeigten, dass globale biologische Diversität ungleichmäßig verteilt ist, mit einer oft hohen Vielfalt in den Tropen, die zu den Polen hin abnimmt. Gebirge mit allgemein starken ökologischen Gradienten und ausgeprägter Habitat-Heterogenität sind besonders in den Tropen ungewöhnlich artenreich. Pflanzenvielfalt außerhalb der Tropen, wie in den mediterranen Ökosystemen, trägt zur ungleichen globalen Diversitätsverteilung bei. Ähnlich zu geografischen Mustern ist die Diversität in einzelnen Taxa ungleich verteilt, mit artenreichen Radiationen oft sukzessiv von artenarmen Schwestergruppen begleitet. In diesem Projekt untersuchten wir die Evolution von biologischer Vielfalt anhand ihrer einfachsten Messgröße: Arten. Die megadiversen Erica (Heidekräuter) bilden die artenreichste Gattung der Fynbos-Flora im der Kap Region von Südafrika, einem der extratropischen mediterranen Biodiversitätszentren. Wir untersuchten Hypothesen die eventuell die enorme Diversität erklären können. Dafür dokumentierten wir in mehrwöchiger Feldarbeit über 1260 Pflanzen, sammelten mehr als 700 Herbarbelege, und erstellten eine Datenbank mit über 65000 georeferenzierten Erica Vorkommen. Drei Genome wurden de-novo sequenziert, 295 Proben mittels Hyb-Seq, 66 mittels GBS und 525 mittels Sanger-Sequenzierung; insgesamt ca. 425 Arten. Im Laufe des Projekts brachten wir Wissenschaftler und Experten zusammen und gründeten das ‚Global Conservation Consortium for Erica‘ (GCC Erica). Investigativ rekonstruierten wir phylogenetische Bäume auf verschiedenen evolutionären Ebenen; auf Gattungsniveau, Art- und unterhalb des Artniveaus. Molekularer-genomische Marker und bioinformatische Analysen wurden passgenau für unsere Anforderungen entwickelt. Wir modellierten Alter und Ursprung der Heidekräuter der Kap Region und untersuchten potenziell verantwortliche Faktoren für die hohe Pflanzenvielfalt in der Region, vor allem in Bezug auf Ausbreitung, ökologischen Konservatismus und Bestäuber-Spezifizität. Die gewonnenen Resultate ergeben ein hochdynamisches Szenario, indem räumliche Isolation – differenzierte "sky island" Topografie der Kap Region, räumliche Distanz und Höhenunterschiede – die Grundlage ist für erhöhte Artbildung. Ökologische Anpassungen scheinen eher auf kleineren räumlichen Skalen in dynamischer Wechselbeziehung zu stehen, wie Adaptation an lokaledaphische Bedingungen oder felsig-trockene Lebensräume. Potentiell in Isolation evolvierte, morphologische Innovationen halten Populationen durch Beeinflussung der Bestäubungsspezifität unter sekundärem Kontakt getrennt. Diese Dynamiken werden häufig von genomischen Prozessen überlagert, einschließlich Hybridisierung und horizontalem Gentransfer. Zusammengefasst tragen sowohl neutrale und als auch adaptive Prozesse mit niveauabhängigen Effekten zur evolutionären Diversifizierung bei; somit zur enormen Artenvielfalt in Erica in der Kap Region.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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An approach to determining anthocyanin synthesis enzyme gene expression in an evolutionary context: an example from Erica plukenetii. Annals of Botany, 124(1), 121-130.
Le Maitre, N C; Pirie, M D & Bellstedt, D U
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Floral Color, Anthocyanin Synthesis Gene Expression and Control in Cape Erica Species. Frontiers in Plant Science, 10(2019, 11, 28).
Le Maitre, N C; Pirie, Michael David & Bellstedt, Dirk U.
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Leaps and bounds: geographical and ecological distance constrained the colonisation of the Afrotemperate by Erica. BMC Evolutionary Biology, 19(1).
Pirie, Michael D.; Kandziora, Martha; Nürk, Nicolai M.; Le Maitre, Nicholas C.; Mugrabi de Kuppler, Ana; Gehrke, Berit; Oliver, Edward G. H. & Bellstedt, Dirk U.
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Small differences, big secrets. Veld & Flora 106(1): 22– 31
Bellstedt, D.U.; Coetzee, A.; Hitchcock, A.; Kandziora, M.; van der Niet, T.; Nürk, N.M.; Musker, S. & Pirie, M.D.
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Botaniske hager går sammen for å stanse utryddelsen av arter: Global Conservation Consortium for Erica Årringen 2020–2021 (24–25): 103–110
Pirie, M.D.; Blackhall-Miles, R.; Bourke, G.; Crowley, D.; Ebrahim, I.; Forest, F.; Knaack, M.; Koopman, R.; Lansdowne, A.; Nürk, N.M.; Osborne, J.; Pearce, T.R.; Rohrauer, D.; Smit, M. & Wilman, V.
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Preventing species extinctions: A global conservation consortium for Erica. PLANTS, PEOPLE, PLANET, 4(4), 335-344.
Pirie, Michael D.; Blackhall‐Miles, Robbie; Bourke, Greg; Crowley, Dan; Ebrahim, Ismail; Forest, Félix; Knaack, Michael; Koopman, Rupert; Lansdowne, Alex; Nürk, Nicolai M.; Osborne, Jo; Pearce, Timothy R.; Rohrauer, Daniel; Smit, Martin & Wilman, Victoria
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Where have all the heathers gone?. Sibbaldia: the International Journal of Botanic Garden Horticulture (21).
Nelson, Charles & Pirie, Michael
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Geographic isolation enables recurrent pollinator shifts despite hybridisation in the Cape’s hyperdiverse heathers. (2023, 7, 19). Wallstein Verlag.
Musker, Seth D.; Pirie, Michael D. & Nürk, Nicolai M.
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Phylogenomic Studies in Heathers (Erica L.). Doctoral thesis, University of Bayreuth, Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences Bayreut
Musker, S.D.
