Genetic analysis of the arable weeds Arabidopsis thaliana and Viola arvensis from agricultural fields with different use-histories

Abstract

Reduktionen in der Populationsgröße können aufgrund von genetischer Drift und Inzucht zu einer Verminderung der genetischen Diversität innerhalb einer Population führen. Gleichzeitig wird die Fähigkeit einer Population, Umweltveränderungen zu überstehen, durch eine höhere genetische Diversität deutlich verbessert. In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts fand eine Intensivierung der Agrarproduktion statt, die u.a. zu einem deutlichen Rückgang der natürlichen Flora und Fauna in Agrarlandschaften beigetragen hat. In der vorliegenden Studie wurden Populationen der beiden Ackerwildkrautarten Arabidopsis thaliana und Viola arvensis als Indikator-Spezies verwendet, um die Wirkung von intensivem Ackerbau auf die genetische Diversität von Ackerwildkräutern zu untersuchen.Populationen der beiden Arten wurden aus Bodenproben gewonnen, die sowohl auf heutigen Agrarstandorten mit verschiedenen intensiven bzw. extensiven Anbausystemen, als auch auf Standorten, auf denen ehemals extensiver Anbau praktiziert wurde (Wiesen- und Brachelandschaften), gewonnen wurden. Alle untersuchten Standorte lagen innerhalb eines Umkreises von 30km in Hessen, Deutschland. Nach einer geeigneten Stratifikation wurden Keimlinge beider Indikatorarten isoliert und zur Analyse der genetischen Struktur der Populationen molekulargenetisch untersucht. Als genetische Marker wurden Amplified Fragment Length Polymorphisms (AFLPs) bzw. für A. thaliana zusätzlich Simple Sequence Repeats (SSRs bzw. Mikrosatelliten) verwendet. Basierend auf einer Analyse der AFLP-Marker wurde sowohl in den Populationen der überwiegend selbstbestäubenden Art A. thaliana als auch in den Populationen der vorwiegend fremdbestäubenden Spezies V. arvensis ähnliche genetische Strukturen gefunden. Etwa 80% der genetischen Variation innerhalb der Gesamtpopulationen beider Arten konnte durch Variation innerhalb der einzelnen Subpopulationen erklärt werden. Dies deutet darauf hin, dass zwischen den Populationen aus verschiedenen Agrarlandschaften keine wesentlichen genetischen Unterschiede existieren. Allerdings wurde bei den SSR-Analysen der A. thaliana-Population von dem intensiv bewirtschafteten Standort eine geringere Heterozygosität gefunden, als bei A. thaliana-Populationen aus den extensiveren Anbauregimen. Dieses könnte ein Hinweis darauf sein, dass die genetische Diversität von wilden A. thaliana-Populationen durch intensive Agrarpraktiken reduziert wird. Allerdings müssen zur Unterstützung diese Hypothese weitere Versuche in ähnlichen Agrarlandschaften durchgeführt werden, um generelle Zusammenhänge zwischen landwirtschaftlichen Anbausystemen und der genetischen Struktur von Wildkräuterpopulationen zu konkretisieren.

Decreases in population size can lead to a reduction in genetic diversity due to the effects of random genetic drift and inbreeding. It is generally accepted that a higher amount of genetic diversity within a population increases the population s ability to withstand environmental changes, and therefore to survive. Over the last half century, the agricultural intensification that has occurred throughout Europe has led to the decline in abundance of many flora and fauna associated with farmland habitats. In this study two weed species, Arabidopsis thaliana and Viola arvensis, were selected as indicator species to assess the impact intensive agriculture may have on the genetic diversity of arable weed populations. For collection of populations of the two species soil samples were taken from a variety of contemporary agricultural sites (both intensive and extensive cropping regimes) and sites previously used for extensive agriculture (designated meadow and fallow regimes) within 30 km of each other in Hesse, central Germany. Seedlings from the two indicator species were isolated after stratification and incubation under appropriate conditions for germination. Molecular marker analysis was carried out on all individuals to elucidate the genetic structure of the populations. Both species were investigated via AFLP (amplified fragment length polymorphism) analysis, and for A. thaliana the molecular genetic analysis was expanded with microsatellite markers (simple sequence repeats, SSR). A similar level of genetic structuring in populations of the predominantly inbreeding A. thaliana and the more outcrossing V. arvensis was found using AFLPs. Around 80% of the genetic variation within the populations from both species could be explained by variation within the individual subpopulations, indicating that little genetic difference exists between the populations from the different agricultural regimes. However, microsatellite analysis of the A. thaliana population revealed a lower observed heterozygosity in the intensive subpopulation in comparison to subpopulations from the other regimes. This result may be an indication that intensive agriculture reduces the genetic diversity of A. thaliana. However, there are many factors that could combine to produce such an observation, and it is recommended that further studies be carried out on similar agricultural fields to see if the results obtained in this study reflect a general trend for genetic diversity of wild populations in cropping landscapes.