Habitat isolation as a driver of species diversity patterns and genetic variability of vascular plants within enclaves of the grass steppe

Antropogeniczna fragmentacja ekosystemów naturalnych jest jednym z najpoważniejszych problemów współczesnej ochrony przyrody. Przykładem najbardziej pofragmentowanej formacji roślinnej na świecie jest step, który w wielu regionach został przekształcony w pola uprawne. Na Ukrainie step przetrwał jedynie w rozproszonych refugiach, takich jak rezerwaty przyrody, wąwozy lessowe, skarpy nadrzeczne oraz kurhany. Te ostatnie są kopcami zbudowanymi przez starożytne ludy koczownicze w miejscach pochówku. Kurhany jako stosunkowo niewielkie, ale liczne w ukraińskim krajobrazie enklawy stepu przypominają „wyspy” w „morzu” wielkoobszarowych pól uprawnych. Wcześniejsze badania wykazały wysokie bogactwo gatunkowe roślin stepowych na kurhanach, w tym obecność gatunków rzadkich i chronionych. Celem niniejszej pracy doktorskiej była ocena wpływu stopnia izolacji zachowanych płatów stepu na różnorodność gatunkową fitocenoz i różnorodność genetyczną populacji roślin występujących na kurhanach oraz w innych enklawach stepu. Prace terenowe prowadzono w południowej Ukrainie, w strefie pontyjskiego stepu trawiastego. W celu zbadania wzorców różnorodności gatunkowej zebrano dane o występowaniu gatunków ze stałych powierzchni badawczych 100 m2 i 1 m2 zlokalizowanych na 30 kurhanach i w 10 dużych ostojach stepu. Każdy odnotowany gatunek został sklasyfikowany jako specjalista lub generalista ekologiczny. W przypadku kurhanów zebrano ponadto dane dotyczące wielkości i stopnia izolacji. Dodatkowo dla poletek na kurhanach obliczono wskaźnik heat load index, będący pośrednią miarą stresu suszy. Do badań genetycznych wybrano dwa gatunki stepowe o różnych mechanizmach dyspersji pyłku oraz nasion: Iris pumila L. (entomogamia, autochoria) oraz Stipa capillata L. (anemogamia, epizoochoria i anemochoria). Liczba gatunków specjalistów stepowych była wyższa w obrębie powierzchni badawczych w dużych enklawach stepowych niż na kurhanach w obu skalach przestrzennych. W przypadku kurhanów najważniejszymi predyktorami liczby specjalistów były izolacja (zależność ujemna) i powierzchnia kurhanów (zależność dodatnia). Na zagęszczenie generalistów pozytywnie wpłynął jedynie wskaźnik heat load index, określający lokalne warunki siedliskowe. Otrzymane wyniki wskazują, że w dłuższej perspektywie czasu bliskość większych ostoi jest ważna dla zachowania różnorodności gatunków w obrębie małych, izolowanych enklaw stepu, jakimi są kurhany. Różnorodność i struktura genetyczna populacji roślin stepowych na kurhanach została oceniona na podstawie analizy genetycznej 266 osobników S. capillata z 15 populacji (9 z kurhanów, 3 z wąwozów lessowych i 3 z rezerwatu biosfery Askania Nowa) oraz 252 osobników I. pumila z 14 populacji (8 z kurhanów, 3 z wąwozów lessowych i 3 z rezerwatu). Do oceny tej, jak i również do dalszych analiz, posłużyły dane uzyskane za pomocą markerów Universal Rice Primers (URP). Wbrew oczekiwaniom badane populacje obu gatunków roślin stepowych charakteryzowały się stosunkowo wysoką różnorodnością genetyczną, co może wynikać ze długowieczności badanych gatunków, zmniejszającej negatywny wpływ izolacji w badanym systemie wysp środowiskowych. Wpływ izolacji kurhanów oraz wielkości enklaw stepu na zmienność genetyczną populacji badanych gatunków roślin był odmienny i także niezgodny z założeniami: stwierdzono mniejszą zmienność w małych i izolowanych enklawach u S. capillata, która posiada zdolności do dalekiego transportu nasion i pyłku a większą u I. pumila, który takich przystosowań nie posiada. Stąd też nie udało się stwierdzić związku między wpływem izolacji na różnorodność genetyczną populacji a cechami związanymi z dyspersją nasion i pyłku (prawdopodobnie większe znaczenie mają inne cechy biologii i ekologii badanych gatunków np. samoniezgodność). Na podstawie wyników tej części badań można wnioskować, że populacje roślin występujące na kurhanach nadal mogą być efektywnie wykorzystane w potencjalnej restytucji przyrodniczej stepu w sąsiedztwie kurhanów.

Anthropogenic fragmentation of natural ecosystems is one of the most serious problems of nature conservation nowadays. An example of the most fragmented plant formation in the world is the steppe, which in many regions has been transformed into arable fields. In Ukraine, the steppe survived only in scattered refugia, such as nature reserves, loess ravines, river escarpments and kurgans (barrows, burial mounds). The latter are mounds built by ancient nomadic peoples in places of burial. These relatively small, but numerous in the Ukrainian landscape steppe enclaves resemble "islands" in the "sea" of arable fields. Previous studies have shown high species diversity of steppe plants on kurgans, including rare and protected species. The aim of this PhD thesis is to assess the impact of isolation of the preserved steppe patches on the species diversity of phytocoenoses and the genetic diversity of plant populations found on kurgans and in other steppe enclaves. Field work was carried out in southern Ukraine, in the West Pontic grass steppe zone. In order to study species diversity patterns, data on the occurrence of species from 100 m2 and 1 m2 plots were collected on 30 kurgans and 10 large steppe enclaves. Each recorded species has been classified as ecological specialist or generalist. In the case of kurgans, data on the size and degree of isolation were also collected. In addition, heat load index, which is an indirect measure of drought stress, was calculated for plots located on kurgans. Two steppe species differing in mode of pollen and seed dispersal were selected for genetic research: Iris pumila L. (entomogamy, autochory) and Stipa capillata L. (anemogamy, epizoochory and anemochory). The density of steppe specialists was higher in large steppe enclaves than on kurgans at both spatial scales. On kurgans, the most important predictors of the number of specialists were degree of isolation (negative relationship) and the area of kurgans (positive relationship). The density of generalists was positively affected only by the local heat load index. The obtained results indicate that in the long term the proximity of larger refuges is important for the preservation of the diversity of species within small, isolated steppes enclaves, which are kurgans. The diversity and genetic structure of steppe plant populations on barrows was assessed on the basis of a genetic analysis of 266 S. capillata individuals from 15 populations (nine from barrows, three from loess ravines and three from Askania-Nova Biosphere Reserve) and 252 I. pumila from 14 populations (8 from the kurgans, 3 from loess ravines and 3 from the biosphere reserve). The data obtained with the Universal Rice Primers markers (URP) were used to evaluate this as well as for further analysis. Contrary to expectations, the studied populations of both steppe plant species were characterized by relatively high genetic diversity. The influence of kurgan isolation and size of steppe enclaves on the genetic diversity of the studied plant species was different in the studied species and also inconsistent with the assumptions: less variation was found in small and isolated populations in S. capillata, which has the ability to long-distance transport of pollen and seeds, while higher in I. pumila, which does not have such adaptations. Hence, no clear relationship was found between the impact of isolation on the genetic diversity of the population and features related to the dispersion of pollen and seeds and pollen (probably other biological and ecology traits of the species studied, e.g. selfincompatibility). Moreover, generally high levels of genetic variability observed in studied species may stem from their relatively long individual life span compared to the duration of fragmentation. Based on the results of this part of the research it can be concluded that plant populations occurring on kurgans still can be effectively used in the potential natural restoration of the steppe in their surroundings.