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Pollination ecology and spatial genetic population structure of wild and cultivated species of cacao (Theobroma) in Bolivia

dc.contributor.advisorTscharntke, Teja Prof. Dr.
dc.contributor.authorChumacero de Schawe, Claudia
dc.date.accessioned2014-03-19T09:26:16Z
dc.date.available2014-03-19T09:26:16Z
dc.date.issued2014-03-19
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-5E65-D
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4420
dc.description.abstractDer tropische Regenwald im südwestlichen Amazonasgebiet ist durch den zunehmenden Bevölkerungsdruck, die wirtschaftliche Ausbeutung, die Abholzung und das Abbrennen großer Flächen für die Viehwirtschaft bedroht. Allgemein zeichnen sich tropische Regenwälder durch eine hohe Diversität von Baumarten und daraus folgenden niedrigen Populationsdichten und entsprechend hohen Distanzen zwischen den Artgenossen aus. Die räumliche Verteilung der Individuen hat grundlegende Konsequenzen auf die Bewegung der Bestäuber und den intraspezifischen Genfluss, was somit die sexuelle Fortpflanzung beeinflusst. Daher ist das Wissen über den Genfluss grundlegend für das Verständnis von Reproduktionserfolgen und dem Management tropischer Baumarten. In dieser Studie untersuchte ich unterschiedliche Aspekte der sexuellen Fortpflanzung von wildem und kultiviertem Kakao (Theobroma cacao) und zwei weiteren Theobroma-Arten in Bolivien. Folgende Hypothesen wurden angenommen: 1) Wilde und kultivierte Pflanzen von T. cacao in Bolivien sind genetisch unterschiedlich; 2) Die Verteilungsdistanz der Pollen wilder Kakaopflanzen ist größer als die der kultivierten Pflanzen; 3) Es existiert ein gewisser Genfluss zwischen den wilden und den kultivierten Pflanzen von T. cacao; 4) Die Ansammlung der Bestäuber unterscheidet sich zwischen den Populationen wilder und kultivierter Pflanzen von T. cacao, sowohl in Bezug auf die taxonomische Zusammensetzung als auch in der Abundanz der Blütenbesucher; 5) Die kleinräumige genetische Struktur der Theobroma-Arten ist aufgrund der Abhängigkeit von Tieren bezüglich Bestäubung und Samenverbreitung gemäßigt. Zu diesem Zweck wurden im Tiefland von Bolivien drei verbreitete Arten der Gattung Theobroma ausgewählt: T. cacao L. (wild und kultiviert), T. speciosum Willd. ex Spreng und T. subincanum Mart. Diese Arten sind stammblütige Bäume des Unterwuchses. Sie haben zahlreiche kleine Blüten und schwere Früchte mit essbaren Samen, welche von Fruchtfleisch umgeben sind. Um den Pollenfluss des Kakaos zu untersuchen, schätzte ich den Grad der Selbstbestäubung und die Distanz der Pollenverbreitung sowie den Genfluss zwischen wildem und kultiviertem Kakao. Ich untersuchte zudem, ob sich die wilden von den kultivierten Kakaobäumen genetisch unterscheiden. Um die Kakaobestäuber zu identifizieren, dokumentierte ich die Zusammensetzung der Blütenbesucher auf wildem und kultiviertem Kakao. Weiterhin ermittelte ich die genetische Diversität und die kleinräumige genetische Struktur (SGS) der drei Theobroma-Arten, um die Distanzen der genetischen Verbreitung aus den Mustern der SGS zu schätzen. Die Ergebnisse zeigen, dass wilder und kultivierter Kakao sich genetisch unterscheiden, woraus geschlussfolgert wird,  dass die „wilden“ Populationen des Kakaos im Tiefland Boliviens tatsächlich wilde Formen oder zumindest sehr alte Sorten darstellen. Wilde Populationen zeigten eine geringere genetische Diversität als kultivierter Kakao, was möglicherweise durch die unterschiedliche Herkunft der kultivierten Sorten (z.B. Costa Rica, Trinidad y Tobago) begründet ist. Im Unterschied zu früheren Studien konnte ich Hinweise für die Selbstbestäubung in wildem und kultiviertem Kakao finden, auch wenn die Fremdbestäubung klar dominiert. Selbstbestäubung war häufiger in kultiviertem als im wilden Kakao festzustellen. Die gesamtdurchschnittliche Distanz der Pollenverbreitung betrug 867 m. Die Distanz der Pollenverbreitung des wilden Kakaos lag in einem Bereich von 10 und 3007 m, während die der Pollen des kultivierten Kakaos über Distanzen von 13 bis 2360 m verbreitet wurden. Die Bestäubungsdistanzen des Kakaos waren höher als die der typischen Unterwuchsbaumarten, wenn man die geringen Größen der bestäubenden Mücken berücksichtigt. Der relativ hohe Pollenaustausch von kultiviertem zu wildem Kakao (20%) gefährdet die genetische Identität der wilden Populationen. Weiterhin wurde eine große Auswahl an Blütenbesuchern dokumentiert und erhebliche Unterschiede zwischen den Besuchern des wilden und des kultivierten Kakaos festgestellt. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die Mücken als Haupt- oder gar alleinige Bestäuber in unserem Untersuchungsgebiet nicht in Betracht kommen, da sie zu selten vorkommen. Potenzielle zusätzliche Bestäuber sind die kleine Diptera (z.B. Chloropidae und Phoridae) und Hymenoptera (z.B. Eulophidae und Platygastridae). Die wilden Verwandten des T. cacao, T. speciosum und T. subincanum zeigten eine relativ hohe genetische Diversität. Die Arten von Theobroma hatten eine niedrige, aber signifikant kleinräumige genetische Struktur. T. speciosum zeigte die höchste Distanz der Pollenverbreitung, was auf eine effiziente Samen- und Pollenverbreitung hindeutet, wohingegen T. subincanum die strukturiertere Art mit der geringsten Distanz der Genverbreitung war.  Abschließend sollten bei verbessertem Management der Kakao-Populationen folgende Punkte beachtet werden: Die hohe Distanz der Pollenverbreitung bei Kakao und der relativ hohe Pollenaustausch von kultiviertem zu wildem Kakao zeigt die Notwendigkeit des Schutzes weitläufiger Naturwälder. Um die genetische Identität des wilden Kakaos in Bolivien zu schützen und zusätzlich den genetischen Austausch zwischen den wilden Populationen zu unterstützen, sollte die genetische Variabilität lebensfähiger Populationen zu erhalten werden. Die kleinräumige genetische Struktur in Theobroma macht die Bedeutung des Schutzes der samenverbreitenden Tiere deutlich, um die genetischen Ressourcen dieser tropischen Baumgattung zu erhalten.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc570de
dc.titlePollination ecology and spatial genetic population structure of wild and cultivated species of cacao (Theobroma) in Boliviade
dc.typecumulativeThesisde
dc.contributor.refereeKessler, Michael Dr.
dc.date.examination2013-09-18
dc.description.abstractengTropical forest in southwestern Amazonia is threatened by increasing human populations, economic exploitation, deforestation and burning activities for cattle raising and agriculture. Tropical rainforests are characterized by a high level of tree species diversity and consequently low population densities and large distances among conspecifics. The spatial distribution of individuals has substantial consequences for the movement of their pollinators and intraspecific gene flow, hence affecting sexual reproduction. Thus knowledge of gene flow is elementary for understanding the reproductive success and management of tropical tree species. In this study I explored different aspects of the sexual reproduction of wild and cultivated cacao (Theobroma cacao) and two wild relatives of cacao (T. speciosum and T. subincanum) in Bolivia. The hypothesis addressed were: 1) Wild and cultivated plants of T. cacao in Bolivia differ genetically; 2) Pollen dispersal distances of wild cacao trees are larger than in cultivated plants; 3) There is some level of gene flow between wild and cultivated plants of T. cacao; 4) Pollinator assemblages differ between wild and cultivated populations of T. cacao both with respect to taxonomic composition and abundance of floral visitors; 5) Small-scale spatial genetic structure of Theobroma species is moderate due to the dependence on animals for both, pollination and seed dispersal. For this purpose, three common species of the genus Theobroma of the lowlands of Bolivia were selected, Theobroma cacao L. (wild and cultivated), T. speciosum Willd. ex Spreng. and T. subincanum Mart. These species are cauliflorus understory trees, with numerous small flowers and heavy fruits with fleshy edible seeds. To study the pollen flow of cacao the degree of self-pollination and pollen dispersal distances were estimated as well as gene flow between wild and cultivated cacao. I also explored whether wild and cultivated cacao trees differ genetically. To identify cacao pollinators I documented floral visitor assemblages on wild and cultivated cacao flowers. I further assessed genetic diversity and small-scale spatial genetic structure (SGS) of the three Theobroma species and gene dispersal distances were inferred from the patterns of SGS. The results show that wild and cultivated cacao differs genetically, suggesting that “wild” populations of cacao in lowland Bolivia might correspond to truly wild forms or at least to ancient cultivars. Wild populations showed lower genetic diversity than the cultivated cacao, probably because cultivated forms come from a variety of origins (e.g. Costa Rica, Trinidad and Tobago). In contrast to prior studies, I found evidence for self-pollination in both wild and cultivated cacao, even though cross-pollination clearly predominates. Self-pollination events were more frequent in cultivated than in wild cacao. The overall mean pollen dispersal distance was 867 m. Pollen dispersal distances of wild cacao was documented in a range of 10 m to 3007 m, whereas pollen of cultivated cacao was dispersed over distances of 13 m to 2360 m. Pollination distances in cacao were larger than those typically reported in tropical understory tree species, considering the minute sizes of the pollinating midges. The relatively high pollen exchange from cultivated to wild cacao (20%) found, compromises genetic identity of wild populations. Further, a wide range of flower visitors were documented as well as considerable differences between the visitors of wild and cultivated cacao. The findings suggest that midges alone were probably too rare to act as main or even sole pollinators of cacao in our study region. Potential additional pollinators would be small Diptera (e.g., Chloropidae and Phoridae) and Hymenoptera (e.g., Eulophidae and Platygasteridae). The wild relatives of T. cacao, T. speciosum and T. subincanum showed relatively high gene diversity. Theobroma species displayed low but significant small-scale spatial genetic structure. T. speciosum showed the largest pollen dispersal distance suggesting a more efficient seed and pollen dispersal, whereas T. subincanum was the more structured species and had the lowest gene dispersal distance.  In conclusion, improved management of cacao populations should consider the following points: the large pollen dispersal distances reported in cacao and the relatively high pollen exchange from cultivated to wild cacao pointed out the necessity for the protection of extensive natural forests tracts to protect the genetic identity of wild cacao in Bolivia and, in addition, to promote genetic exchange among wild populations to maintain the genetic variability of viable populations. The small-scale spatial genetic structure found in Theobroma pointed out the importance of the protection of seed dispersal animals to maintain the genetic resources of this tropical tree genus.de
dc.contributor.coRefereeHensen, Isabell Prof. Dr.
dc.contributor.thirdRefereeGansert, Dirk PD Dr.
dc.subject.engPollinatorde
dc.subject.engForcypomyiade
dc.subject.engBoliviade
dc.subject.engpaternity analysisde
dc.subject.engpollen dispersalde
dc.subject.engselfingde
dc.subject.engcacaode
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-5E65-D-1
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät für Biologie und Psychologiede
dc.subject.gokfullBiologie (PPN619462639)de
dc.identifier.ppn781013585


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