Effect of fragmentation and low density on gene flow and genetic diversity on two conifer species, Pinus gerardiana in Gardiz, Afghanistan, and Taxus baccata in Bavarian Forest National Park, Germany

by Sayed Jalal Moosavi
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-11-29
Date of issue:2025-04-14
Advisor:Prof. Dr. Oliver Gailing
Referee:Prof. Dr. Oliver Gailing
Referee:Prof. Dr. Ralph Mitlöhner
Sponsor:DAAD (Deutscher Akademischer Austauschdienst)
Sponsor:Nationalpark Bayerischer Wald
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11206

 

 

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Abstract

English

This thesis investigates the genetic diversity, structure, and conservation needs of two coniferous species: Pinus gerardiana and Taxus baccata. Using advanced genetic markers, EST-SSRs and cpSSRs, the study reveals critical insights into their genetic health and demographic trends, informing conservation strategies to ensure their long-term survival. The first study investigates the genetic diversity and spatial genetic structure of Chilgoza pine (Pinus gerardiana) in Gardiz, Afghanistan, using eight EST-SSR markers. Chilgoza pine is vital for local ecosystems and economies but faces threats from exploitation and habitat loss. By applying EST-SSR markers initially developed for a sister species, Pinus bungeana, the study found moderate genetic diversity in Chilgoza pine, with no significant differences between young and old trees or among subpopulations. Genetic analysis revealed no distinct clustering by age or location. The fine-scale spatial genetic structure (SGS) indicated a significant family structure in young trees but not in older ones. This suggests that younger trees exhibit more localized genetic relationships, possibly due to reduced seed dispersal and increased spatial clustering. However, overall SGS was relatively low, consistent with other pine species. Tests for population bottlenecks suggested a past decline in population size, but current genetic diversity remains moderate. The study highlights the need for conservation efforts to protect Chilgoza pine's genetic resources amid ongoing threats. The second study focuses on assessing genetic diversity in Chilgoza pine using novel chloroplast microsatellite markers (cpSSRs). Chilgoza pine has previously lacked comprehensive genetic research. We developed 27 cpSSR markers from the chloroplast genome of Chilgoza pine to evaluate genetic diversity, population structure, and pollen dispersal within a population from Gardiz, Afghanistan. We collected needle samples from 199 trees across four subpopulations and two age cohorts (young and old). The study identified six polymorphic cpSSR markers out of the 27 designed. Haplotype analysis revealed 32 unique haplotypes, with haplotype 16 being the most common. The genetic diversity analysis showed high levels of diversity with no significant genetic differentiation between young and old cohorts. STRUCTURE and Principal Coordinates Analysis (PCoA) indicated high gene flow and genetic homogeneity, likely due to wind-pollination and bird-mediated seed dispersal. Fine-scale spatial genetic structure (FSGS) analysis revealed a significant, albeit weak, family structure and relatedness in young cohorts, suggesting localized dispersal and distance-dependent gene flow. The findings highlight the effectiveness of cpSSRs in characterizing genetic diversity and structure, which is crucial for the conservation and sustainable management of Chilgoza pine forests. These insights are valuable for developing conservation strategies and emphasize the importance of genetic marker studies in preserving biodiversity and supporting local livelihoods. The study on Taxus baccata in Bavarian Forest National Park, Germany, assessed genetic diversity and conservation needs. Using 13 EST-SSRs, the research found high genetic diversity and no significant inbreeding in both male and female trees. There was low natural regeneration, with few young trees and low DBH (diameter at breast height) individuals, recent conservation efforts like selective cutting and fencing promoted natural regeneration. Genetic analysis revealed minimal differentiation between age groups and management zones. Seedlings showed strong family structure and reduced effective population size (Ne) compared to adults, suggesting limited gene flow and potential genetic drift. Bottleneck analyses indicated historical reductions in population size. The study highlights the need for ongoing conservation measures, including promoting natural regeneration and protecting seedlings and natural regeneration by fences, to maintain genetic diversity and support the Yew population’s long-term survival.
Keywords: Pinus gerardiana; Fine-scale spatial genetic structure; Genetic diversity; cpSSRs; Pollen dispersal; Taxus baccata; conservation

German

Diese Dissertation untersucht die genetische Vielfalt, Struktur und die Erhaltungsbedürfnisse zweier Nadelbaumarten: Pinus gerardiana und Taxus baccata. Durch die Anwendung fortschrittlicher genetischer Marker wie EST-SSRs und cpSSRs liefert die Studie wesentliche Erkenntnisse über ihre genetische Struktur und demografische Trends, die für die Entwicklung von Erhaltungsstrategien zur Sicherstellung ihres langfristigen Überlebens wichtig sind. Die erste Studie befasst sich mit der genetischen Vielfalt und der räumlichen genetischen Struktur der Chilgoza-Kiefer (Pinus gerardiana) in Gardiz, Afghanistan, unter Verwendung von acht EST-SSR-Markern, die ursprünglich für eine Schwesterart, Pinus bungeana, entwickelt wurden. Die Chilgoza-Kiefer ist für lokale Ökosysteme und Lokale Wirtschaft von zentraler Bedeutung, ist jedoch Bedrohungen durch Ausbeutung und Habitatverlust ausgesetzt. Die Studie zeigte eine moderate genetische Vielfalt bei der Chilgoza-Kiefer, ohne signifikante Unterschiede zwischen jungen und alten Bäumen oder unter den Subpopulationen. Es gab keine deutliche Clusterbildung nach Alter oder Standort. Die kleinräumige genetische Struktur (SGS) wies auf eine signifikante Familienstruktur bei jungen Bäumen hin, jedoch nicht bei älteren. Dies deutet darauf hin, dass jüngere Bäume stärker lokalisiert genetische Beziehungen aufweisen, möglicherweise aufgrund reduzierter Samenverbreitung und erhöhter räumlicher Clusterung. Insgesamt war die SGS jedoch relativ niedrig, was mit anderen Kiefernarten übereinstimmt. Analysen hinsichtlich eines genetischen Flaschenhalseffektes deuteten auf einen früheren Rückgang der Populationsgröße hin, jedoch bleibt die aktuelle genetische Vielfalt moderat. Die Studie betont die Notwendigkeit von Erhaltungsmaßnahmen zum Schutz der genetischen Ressourcen der Chilgoza-Kiefer angesichts der anhaltenden Bedrohungen. Die zweite Studie konzentriert sich auf die Bewertung der genetischen Vielfalt der Chilgoza-Kiefer unter Verwendung neuartiger Chloroplasten-Mikrosatellitenmarker (cpSSRs). Die Chilgoza-Kiefer wurde bisher nicht umfassend genetisch untersucht. Wir entwickelten 27 cpSSR-Marker aus dem Chloroplastengenom der Chilgoza-Kiefer, um die genetische Vielfalt, die Populationsstruktur und die Pollenverbreitung innerhalb einer Population aus Gardiz, Afghanistan, zu bewerten. Wir sammelten Nadelproben von 199 Bäumen aus vier Subpopulationen und zwei Alterskohorten (jung und alt). Die Studie identifizierte sechs polymorphe cpSSR-Marker aus den 27 entwickelten. Die Haplotypenanalyse ergab 32 einzigartige Haplotypen, wobei Haplotyp 16 am häufigsten vorkam. Die Analyse der genetischen Vielfalt zeigte hohe Diversität ohne signifikante genetische Differenzierung zwischen jungen und alten Kohorten. STRUCTURE- und Principal Coordinates Analysis (PCoA) deuteten auf hohen Genfluss und genetische Homogenität hin, wahrscheinlich bedingt durch Windbestäubung und durch Vögel vermittelte Samenverbreitung. Die Analyse der kleinräumigen genetischen Struktur (FSGS) ergab eine signifikante, wenn auch schwache Familienstruktur und Verwandtschaft bei jungen Kohorten, was auf eine lokale Verbreitung und distanzabhängigen Genfluss hindeutet. Die Ergebnisse unterstreichen die Wirksamkeit von cpSSRs zur Charakterisierung genetischer Vielfalt und Struktur, was entscheidend für die Erhaltung und nachhaltige Bewirtschaftung der Chilgoza-Kiefernwälder ist. Diese Erkenntnisse sind wertvoll für die Entwicklung von Erhaltungsstrategien und betonen die Bedeutung genetischer Markerstudien für den Erhalt der Biodiversität und die Unterstützung lokaler Lebensgrundlagen. Die Studie zu Taxus baccata im Nationalpark Bayerischer Wald, Deutschland, beurteilte die genetische Vielfalt und Erhaltungsmaßnahmen. Durch den Einsatz von 13 EST-SSRs wurde eine hohe genetische Vielfalt und keine signifikante Inzucht bei männlichen und weiblichen Bäumen ermittelt. Es gab eine geringe Naturverjüngung mit wenigen jungen Bäumen und Individuen mit kleinem Durchmesser (DBH). Neuere Erhaltungsmaßnahmen wie selektive Durchforstung und Zaunbau haben die natürliche Regeneration gefördert. Die genetische Analyse zeigte minimale Differenzierung zwischen Altersgruppen und Bewirtschaftungszonen. Sämlinge wiesen eine starke Familienstruktur und eine reduzierte effektive Populationsgröße (Ne) im Vergleich zu Altbäumen auf, was auf begrenzten Genfluss und genetische Drift hindeutet. Analysen hinsichtlich genetischer Flaschenhalseffekte deuteten auf historische Rückgänge der Populationsgröße hin. Die Studie hebt die Notwendigkeit fortlaufender Erhaltungsmaßnahmen hervor, einschließlich der Förderung der natürlichen Regeneration und des Schutzes von Sämlingen und natürlicher Regeneration durch Zäune, um die genetische Vielfalt zu erhalten und das langfristige Überleben der Eibenpopulation zu unterstützen.
 
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