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Wind- and bird-mediated gene flow in Pinus cembra : effects on spatial genetic structure and potential close-relative inbreeding


Salzer, Kristina. Wind- and bird-mediated gene flow in Pinus cembra : effects on spatial genetic structure and potential close-relative inbreeding. 2011, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Summary of the thesis

This study investigates the effects of seed dispersal through the European nutcracker (Nucifraga caryocatactes) on the genetic structure of Swiss stone pine (Pinus cembra). The corvid bird deposits several thousands of stone pine seeds annually in the soil as a future food resource. Since not all caches are recovered, this bird behaviour often leads to the establishment of Swiss stone pine seedlings. The combination of wind pollination with this bird-mediated seed dispersal can be expected to greatly shape the spatial distribution of genotypes and the genetic diversity within and among Swiss stone pine populations. Hence, the aim of this study was to investigate gene flow patterns, together with their effects on spatial genetic structure (SGS) and, thus, inbreeding probabilities in an exemplary P. cembra population. Furthermore, potential effects of inbreeding on offspring fitness were analysed, hypothesizing that rates of inbreeding and subsequent cumulative inbreeding depression are higher in small and patchily distributed than in large and continuous P. cembra populations. Molecular genetic results from the study population Rautialp show that both pollen and seed dispersal occur across the entire stand, supporting the assumption of extensive gene flow through far-ranging vectors like wind and birds. Nevertheless, we also found strong spatial autocorrelation of individuals within the population. This suggests that seed dispersal through nutcrackers occurs in a kin-structured manner, which leads to the establishment of SGS – especially in areas where tree density is low and seed shadows overlap less than in dense areas of the stand. The second part of the study shows that inbreeding rates were higher in small and peripheral than in large and continuous P. cembra populations, causing a reduction in offspring fitness. Taken together, this study suggests that small and isolated Swiss stone pine populations might be especially vulnerable to ongoing and future environmental changes. Zusammenfassung der Dissertation

In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich die Samenausbreitung durch den Tannenhäher (Nucifraga caryocatactes) auf die genetische Struktur der Arve (Pinus cembra) auswirkt. Die Rabenvögel legen Wintervorräte mit Arvennüssen an, die zum Teil nicht als Nahrung genutzt werden. Daraus können sich junge Arven etablieren, was eine wichtige Voraussetzung für den Erhalt der Arvenbestände darstellt. Die Kombination aus Windbestäubung mit der Ausbreitung der Samen durch einen Vogel dürfte einen sehr spezifischen Einfluss auf die räumliche Verteilung der Baum-Genotypen sowie die genetische Diversität innerhalb und zwischen Arvenpopulationen haben. Ziel dieser Studie war demnach, detailliert den Genfluss und dessen Auswirkungen auf die räumliche genetische Struktur (SGS) am Beispiel eines Arvenbestandes zu untersuchen. Darüber hinaus wurden potenzielle Auswirkungen von Verwandtenpaarungen auf die Fitness der Nachkommenschaft untersucht, der Hypothese folgend, dass der Genfluss in kleinen, isolierten Beständen stärker begrenzt ist als in grossen, zusammenhängenden Populationen. In einem kleinen, isolierten Bestand in den Nordalpen (Rautialp) wurde mittels molekular- genetischer Marker festgestellt, dass Pollen und Samen über das gesamte Untersuchungsgebiet hinweg verfrachtet werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass der Genfluss in Arvenpopulationen durch die beiden weit reichenden Ausbreitungsvektoren extensiv ist. Gleichzeitig wurde aber gezeigt, dass es bei geringer Baumdichte zu einer räumlichen Anhäufung von verwandten Bäumen kommt. Die Samenausbreitung durch den Tannenhäher scheint somit gerichtet stattzufinden, was zu einer räumlichen genetischen Struktur im Baumbestand führt – insbesondere in Gebieten mit niedrigerer Baumdichte, in denen der Überlappungsbereich der Samenschatten gering ist. Der zweite Teil der Studie zeigt, dass der Anteil an Verwandtenpaarungen in kleinen, peripheren Populationen höher ist als in grossen, zusammenhängenden Beständen, was gleichzeitig eine geringere Fitness des Nachwuchses mit sich bringt. Die vorliegende Arbeit gibt somit Hinweise darauf, dass kleine, periphere Arvenpopulationen besonders anfällig für zukünftige Umweltveränderungen sein dürften.

Abstract

Summary of the thesis

This study investigates the effects of seed dispersal through the European nutcracker (Nucifraga caryocatactes) on the genetic structure of Swiss stone pine (Pinus cembra). The corvid bird deposits several thousands of stone pine seeds annually in the soil as a future food resource. Since not all caches are recovered, this bird behaviour often leads to the establishment of Swiss stone pine seedlings. The combination of wind pollination with this bird-mediated seed dispersal can be expected to greatly shape the spatial distribution of genotypes and the genetic diversity within and among Swiss stone pine populations. Hence, the aim of this study was to investigate gene flow patterns, together with their effects on spatial genetic structure (SGS) and, thus, inbreeding probabilities in an exemplary P. cembra population. Furthermore, potential effects of inbreeding on offspring fitness were analysed, hypothesizing that rates of inbreeding and subsequent cumulative inbreeding depression are higher in small and patchily distributed than in large and continuous P. cembra populations. Molecular genetic results from the study population Rautialp show that both pollen and seed dispersal occur across the entire stand, supporting the assumption of extensive gene flow through far-ranging vectors like wind and birds. Nevertheless, we also found strong spatial autocorrelation of individuals within the population. This suggests that seed dispersal through nutcrackers occurs in a kin-structured manner, which leads to the establishment of SGS – especially in areas where tree density is low and seed shadows overlap less than in dense areas of the stand. The second part of the study shows that inbreeding rates were higher in small and peripheral than in large and continuous P. cembra populations, causing a reduction in offspring fitness. Taken together, this study suggests that small and isolated Swiss stone pine populations might be especially vulnerable to ongoing and future environmental changes. Zusammenfassung der Dissertation

In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich die Samenausbreitung durch den Tannenhäher (Nucifraga caryocatactes) auf die genetische Struktur der Arve (Pinus cembra) auswirkt. Die Rabenvögel legen Wintervorräte mit Arvennüssen an, die zum Teil nicht als Nahrung genutzt werden. Daraus können sich junge Arven etablieren, was eine wichtige Voraussetzung für den Erhalt der Arvenbestände darstellt. Die Kombination aus Windbestäubung mit der Ausbreitung der Samen durch einen Vogel dürfte einen sehr spezifischen Einfluss auf die räumliche Verteilung der Baum-Genotypen sowie die genetische Diversität innerhalb und zwischen Arvenpopulationen haben. Ziel dieser Studie war demnach, detailliert den Genfluss und dessen Auswirkungen auf die räumliche genetische Struktur (SGS) am Beispiel eines Arvenbestandes zu untersuchen. Darüber hinaus wurden potenzielle Auswirkungen von Verwandtenpaarungen auf die Fitness der Nachkommenschaft untersucht, der Hypothese folgend, dass der Genfluss in kleinen, isolierten Beständen stärker begrenzt ist als in grossen, zusammenhängenden Populationen. In einem kleinen, isolierten Bestand in den Nordalpen (Rautialp) wurde mittels molekular- genetischer Marker festgestellt, dass Pollen und Samen über das gesamte Untersuchungsgebiet hinweg verfrachtet werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass der Genfluss in Arvenpopulationen durch die beiden weit reichenden Ausbreitungsvektoren extensiv ist. Gleichzeitig wurde aber gezeigt, dass es bei geringer Baumdichte zu einer räumlichen Anhäufung von verwandten Bäumen kommt. Die Samenausbreitung durch den Tannenhäher scheint somit gerichtet stattzufinden, was zu einer räumlichen genetischen Struktur im Baumbestand führt – insbesondere in Gebieten mit niedrigerer Baumdichte, in denen der Überlappungsbereich der Samenschatten gering ist. Der zweite Teil der Studie zeigt, dass der Anteil an Verwandtenpaarungen in kleinen, peripheren Populationen höher ist als in grossen, zusammenhängenden Beständen, was gleichzeitig eine geringere Fitness des Nachwuchses mit sich bringt. Die vorliegende Arbeit gibt somit Hinweise darauf, dass kleine, periphere Arvenpopulationen besonders anfällig für zukünftige Umweltveränderungen sein dürften.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Keller Lukas, Bugmann Lukas F Keller, Harald
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:570 Life sciences; biology
590 Animals (Zoology)
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2011
Deposited On:23 Feb 2012 12:41
Last Modified:25 Oct 2019 12:54
Number of Pages:110
Additional Information:Enthält Sonderdrucke
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod006754102&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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