Biosystematik Flashcards
Aufgaben der Biosystematik
(1)(a) Erfassung und (b) Beschreibung der Formenmannigfaltigkeit der Organismen (taxonomische Biodiversität)
(2) (a) Vergleich d Sippen untereinander
(b) Erforschung der Beziehungen zw den Sippen, die Natur der Beziehungen
(3) Erfassung der Ordnung und Bewertung der Sippen, die dabei zur Taxa werden; Klassifikation + Aufstellung eines Sippensystems
Biosystematik i.e.S
1a, 2a, 2b
Taxonomie i.e.S.
1b, 3
Ähnlichkeit + Unähnlichkeit
- muss immer dazwischen unterschieden werden in der Biosystematik
- Ähnlichkeit – gemeinsame Abstammung od Konvergenz
- Unähnlichkeit – getrennte Entwicklung od. rasche divergente Evolution
Phylogenetik
- natürliches System
- Kladistik
- ausschließlich verwandtschaftliche Beziehungen berücksichtigt
- Frage nach dem Stammbaum: Welche Sippe ist der Vorfahr? Woher kommen neue Sippen?
- konvergente Sippen getrennt, ihre Gemeinsamkeiten scheinen nicht direkt auf
- Clades relevant
Evolutionäres System
- phyletisch
- Kompromiss: Phänetik + Phylogenetik
- Abstammung + biol. relevante Ähnlichkeiten
- Frage nach der Entstehung v Divergenz: Wie und warum kommen die Verschiedenheiten zw Sippen zustande? Was sind die Bedingungen/Mechanismen der Artbildung?
- Clades und Grades relevant
Phänetik
- Klassifikationssystem
- beruht auf Ähnlichkeit
- möglichst viele Merkmale (aus allen Teildisziplinen) berücksichtigt
- Merkmale nicht gewichtet
- stark konvergente Sippen vereinigt im selben Taxon
- verschiede Entstehung der Sippen scheint nicht auf
künstliche Systeme
- Gruppierung nach 1 od wenigen Merkmalen
- Merkmale willkürlich herausgegriffen
- Praktikalibilität, Handhabbarkeit
- pragmatische Argumente
- müssen nicht zwangsläufig unbiologische sein
‘natürliche’ Systeme
- Gruppierung nach möglichst viele Merkmalsbereiche
- Anstrebung naturwissenschaftliche Ziele
- Hypothesencharakter
Warum ist es unmöglich, die komplizierten mehrdimensionalen Beziehungen zw Sippen vollständig in einem System abzubilden? (Dimensionen?)
Dimensionen:
- Phylogenese - Geneologie, Clades
- Anpassung - Organisationsniveau, Analogien, Grades
- Modus und Temp d Sippenbildung…
Mehrdimensionales kann nicht ohne Informationsverlust eindimensional dargestellt werden
Mangelhafte Dokumentation der ausgestorbenen Sippen
Sippe
Abstammungsgemeinschaft
eine bestimmte, in der Natur objektiv vorhandene Verwandtschaftsgruppe
beliebige Rangstufe
Taxon
eine Sippe, die einen bestimmten Platz und Namen im hierarchischen System der Taxonomie hat
Endungen für: Klasse Ordnung Familie Unterfamilie Tribus
Klasse -opsida Ordnung -ales Familie -iaceae Unterfamilie -oideae Tribus -eae
Abkürzungen: sp. / ssp. / spp.
sp. = species
ssp. = subspecies
spp. = species (plural)
Grundannahmen der kladistischen Biostytematik
hint:
Schwestersippen
Apomorphien/Plesiomorphien
Monophylie, Paraphylie, Polyphylie
monophyletisch
i. w.S. - eine Verwandtschaftsgruppe, die v. einem einzigen gemeinsamen Vorfahren abstammt
i. e.S. - eine Verwandtschaftsgruppe, die alle Abkömmlinge eines einzigen unmittelbaren gemeinsame Vorfahren umfasst
polyphyletisch
eine Gruppe v Sippen, die keinen unmittelbaren gemeinsame Vorfahren hat
gemeinsames Merkmal mind. 2x entstanden
paraphyletisch
eine Verwandtschaftsgruppe, die NICHT ALLE Abkömmlinge eines einzigen unmittelbaren gemeinsamen Vorfahren umfasst
Parsimonie
allgemeines, grundsätzliches wissenschaftsmethodisches Prinzip
Occam’s Razor
die einfachste Erklärungsmöglichkeit hat Vorrang (weil ihr die größte Wahrscheinlichkeit zukommt)
Homoplasie
- gemeinsame, gleiche Merkmale
- gehen NICHT auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück
- unabhängig und neu entstanden
- zw. homolog und analog wird/kann hier nicht unterschieden werden
Molekularsystematik - welche Moleküle
Chloroplasten-Genom - cpDNA
Mitochondrien-Genom - mtDNA
Zellkern-Genom - nDNA
methodische Bereiche d Molekularsystematik
Sequenzierung v DNA-Abschnitten
Fingerprinting-Methoden
Sequenzierung v DNA-Abschnitten
- Methode - Molekularsystematik
- Ermittlung Nukleotidsequenz
- PCR
- codierende konservative Gene –> Unterscheidung Familien, Gattungsniveau
- nicht-codierende Bereiche –> Unterscheidung v Unterarten bis etwa Unterfamilien
- advantage PCR: rapid, allows study of same region in many species of particular group
- disadvantage PCR: polymerase makes occasional mistakes
- relative costs of error (less accurate, more taxa) VS costs of repeatedly sequencing same region (highly accurate, fewer taxa)
Fingerprinting-Methoden
- Methode-Molekularsystematik
- gesamte Genom untersucht
- Ergebnis = unterschiedlich lange DNA-Fragmente
- Vergleich v. Fragmenten-Längen lässt Rückschlüsse auf die Verwandtschaft zu (bes. Popularions-, Art- und Gattungsniveau)
Möglichkeiten/Probleme Molekularsystematik
- biolog. Rolle vieler Gene unklar
- molekulare Ebene weit entfernt v evolutiv relevante organismische Ebene?
- Rückmutationen, Parallelismen, Konvergenzen gibts
- Mutationshäufigkeit, Änderungsfrequenz sehr unterschiedlich
- versch. Gene eines Organismus/einer Sippe müssen nicht parallel evoluieren
+ nicht-codierende Bereiche: stehen unter keinen funktionellen Selektionsdrücke, gut geeignet für Analyse der Phylogenese
+ Kompensation der Schwierigkeiten durch große Datenmengen, statistische Auswertung.
Clades
- Ähnlichkeit aufgrund v Abstammung
- Ähnlichkeiten = homolog
- homologe Strukturen könne dieselbe Funktion erfüllen oder auch allmählich verschiedene übernehmen
- lassen sich as Verwandtschaftszeiger verwenden
- für Phylogenetik nur Clades relevant
Grades
- Ähnlichkeit aufgrund v Anpassung
- lassen sich NICHT als Verwandtschaftszeiger verwenden
- Parallelismen und homologe Konvergenzen, auch analoge Konvergenzen
- auch relevant f Evolutionsforschung (zusammen mit Clades)
Nomenklaturregeln
(1) Erstbeschreibung
(2) Typusmethode
(3) Name
Typusmethode
- Erstbeschreibung reicht oft nicht aus für die Nomenklatur
- ein konserviertes Pflanzenindividuum = Typus-Exemplar
- Name eines Taxons bliebt mit seinem Typus-Exemplar verknüpft
- nomenklatorischer Typus dient zur Fixierung des NAMENS - nicht des Taxons
wissenschaftliche lateinische Artname
Artname = binom = Gattungsname + Epitheton/(Art-)Beiname \+ Rangstufenbezeichnung \+ der nomenklatorische Autor
Identifizierung von Apomorphien und Plesiomorphien
Außengruppenvergleich:
• Außengruppe: Referenzgruppe zur Bestimmung von Verwandtschaftsbeziehungen
• Innengruppe: Gruppe(n) deren Verwandtschaftsbeziehung geklärt werden soll
• Merkmale, die sowohl in der Außengruppe als auch in der Innengruppe vorkommen, sind plesiomorph (evolutionär älter)
• Merkmale, die sich nur auf die Innengruppe beschränken, sind apomorph (evolutionär neuer)
Kladogramm v Phylogramm
Kladogramm: einfache Stammbaumdarstellung, Astlängen haben keine Bedeutung
Phylogramm: Astlängen= Anzahl evolutiver Ergebnisse/ genetische Distanz (je kürzer die Astlänge, desto näher ist die Verwandtschaft
Synonyme vs Homonyme
Synonyme: verschiedend lautend, bezeichnen dieselbe Sippe
Homonyme: gleichlautend, beziehen s auf verschiedene Sippen
Synonyme - Types
taxonomische Synonyme vs. nomenklatorische Synonyme
homotyptische Synonyme vs. heterotypische Synonyme
taxonomische Synonyme
- verschiedende taxonomische Beurteilung einer Sippe
- Synonyme bzw. Namensänderungen inhaltlich begrümdet
- unvermeidlich
- entsprechen dem unterschiedlichen Stand der Wissenshaft, verschiedenen wissenschaftlichen Auffassungen
nomenklatorische Synonyme
- Nichtbeachtung der Nomenklaturregeln
- zB. wichtigste Regel: Prioritätsregel (illegitime Name)
- formale Gesichtspunkte maßgebend
homotypische Synonyme
- verschiedene Name f. dasselbe Typus-Exemplar (nomenklatorischer Typus)
- meist nomenklatorische Synonyme
heterotypische Synonyme
- verschiedene Name f. jeweils anderes Typus-Exemplar
- meist taxonomische Synonyme
- hängt v der taxonomischen Auffassung ab, ob die beiden Typen zur selben od zu verschiednen Arten gehören
Kleinarten/Microspecies
= sehr ähnliche Arten, die schwierig zu unterscheiden sind
- oft zu (Klein-)Artengruppen miteinander vereinigt
- informelle Gruppierungsmöglichkeit
- nicht im taxonomischen Rangstufensystem berücksichtigt
- dienen praktischen Zwecken
- oft künstliche Gruppen
Hybriden
- sollten grundsätzlich als Hybridformel angegeben werden (Binom 1 x (‘mal’) Binom 2)
- Ausnahme: “artgewordene” Hybride - die, die in der Natur ein gewisse Selbstständigkeit aufweisen
Nothospezies vs. Nothosubspezies
- spezies = interspezifische Hybriden
- subspezies = Hybriden zw. Unterarten
infraspezifische Kulturpflanzensippen
= Sorten
- es gibt ergänzende Nomenklaturregeln
- “cv.” - Abkürzung ‘cultivated variety’
ungefähre Aufteilung der Gefäßpflanzen Österreich
Pteridophyten (Farnpflanzen) 2,5%
Gymnospermen 0,5%
Dikotyletdonen 77%
Monokotyledonen 20%
Remane’s criteria of similarity
- -> to determine whether structures can be compared:
(a) they are found in similar position in both organisms
(b) they are similar in cellular and histological structure
(c) they are linked by intermediate forms of the structure (either at different developmental stages or in different organisms)
rooted trees
- rooting turns a network into an evolutionary tree
- polarizes character changes - gives them a specific direction
- critical for interpreting how plants evolved
- different rootings suggest different patterns of change
- only w/ rotted tree can we determine which groups are monophyletic
problem with using fossils to determine position of tree root
- just because an extinct plant has been fossilized, doesn’t mean that its lineages originated earlier than living plants
- just tells us it died earlier
mitochondrial DNA
- maternal
- circular
- order of genes variable (changes occur easily and frequently, even w/in same cell)
- not esp. useful for inferring relationships
- most useful for assessing ancient events (like origin of angiosperms)
chloroplastal DNA
- maternal
- circular
- smallest plant genome
- stable (w/in cells and species)
- rearrangements of chloroplast genome rare - can be used to demarcate major groups
- gains/losses of chloroplast genes COMMON enough to be worth looking for, RARE enough to be stable indicators of evolutionary change
chloroplast gene rbcL
- encodes Rubisco (carbon acceptor, photosynthesis)
- almost universal among plants, fairly long, presents no problems with alignment
- limitation as phylogenetic marker: slow rate of change –> not useful for inferring relationships betw closely related genera
nuclear DNA
- largest
- difficult to generalize (b/c so many)
mutation rate (phylogeny construction
rapidly mutating gene
- assessment of relationships among closely related populations/species
- too fast - parrallelisms and reversals will accumulate to the pt that all phylogenetic info lost; history of sequence obliterated, = problem in work with non-coding sequences or remotely related taxa
- leads to “long branch attraction”
slowly mutating gene
- can be difficult to find mutations from which a phylogeny can be constructed
- lvl of variation may approach expected lvl of sequencing error
- inferences more unreliable
- studies of older groups
analysis of DNA sequence data in phylogeny construction
mutation rate
alignment
analytic technique
gene tree vs. species tree
