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TP 3: Genetische Anpassungspotenziale an den Klimawandel

Ändern sich Umweltbedingungen, zum Beispiel aufgrund des globalen Klimawandels, so kann dies evolutionäre Anpassungsprozesse in Waldpopulationen nach sich ziehen. Untersuchungen dieser Prozesse sind bei Bäumen aufgrund ihrer Langlebigkeit erschwert, aufgrund ihrer Trägerfunktion von Waldökosystemen aber äußerst wichtig.

Durch die Beobachtung genetischer Variationsmuster soll geprüft werden, ob sich verschiedene Populationen hinsichtlich ihrer genetischen Ausstattung und damit auch hinsichtlich ihrer Anpassungsfähigkeit an Klimaänderungen unterscheiden. Die untersuchte Baumart Buche (Fagus sylvatica L.) ist eine der wichtigsten Laubbaumarten Europas, deren genetische Variation an möglicherweise anpassungsrelevanten Genen jedoch bislang kaum untersucht wurde. Hier werden Waldpopulationen, die in verschiedenen Umwelten gedeihen, entlang eines Klimagradienten untersucht. Neben der Analyse von Altbäumen wurde zudem mit Nachkommen der Populationen ein Translokationsexperiment etabliert, welches insgesamt 3.600 Pflanzen umfasst. 2.400 Sämlinge wurden in die trockenste Umwelt sowie 1.200 auf einer feuchten Referenzfläche im Harz (nahe Bad Grund) ausgepflanzt. Zum einen soll die selektionsneutrale Variation analysiert werden, um die genetische Diversität der beobachteten Populationen festzustellen. Des Weiteren wird auch die Variation innerhalb von Genen untersucht werden, welche möglicherweise einen unmittelbaren Einfluss auf adaptive Merkmale wie Austrieb und Trockenheitsresistenz haben (so genannte Kandidatengene). Dies ist im Hinblick auf den Klimawandel relevant, da Modelle zur Veränderung des Klimas in Deutschland neben der Erhöhung der Durchschnittstemperatur auch einen abnehmenden Niederschlag in den Sommermonaten sowie eine längere Vegetationsperiode vorhersagen.

Erste Ergebnisse der Untersuchung neutraler genetischer Marker zeigen, dass die genetische Diversität der Buche wie erwartet auf allen Flächen hoch ist. Die Werte sind vergleichbar mit Untersuchungen in anderen Regionen Deutschlands. Diese Analysen zeigten auch, dass manche Flächen sich genetisch sehr ähnlich sind, wohingegen andere Flächen sich genetisch stark voneinander unterscheiden. Literaturbasiert konnten bisher 19 verschiedene Kandidatengene ausgewählt werden, die möglicherweise einen Einfluss auf Trockenstresstoleranz und/oder Austriebsverhalten haben. Teile dieser Gene wurden erfolgreich sequenziert und Variation (Unterschiede in der DNA) wurde gefunden. Zur Untersuchung dieser Variation an Bäumen entlang des Niederschlagsgradienten konnten erfolgreich genetische Marker entwickelt werden. Bei der Untersuchung dieser Marker  zeigte sich bereits, dass Buchen, die eher angepasst sind an Trockenstress, sich von Buchen auf feuchten Standorten an einigen dieser Markern signifikant unterscheiden. Das Translokationsexperiment konnte im Herbst 2010 erfolgreich etabliert werden. Die Analyse neutraler genetischer Marker zeigte, dass die Jungpflanzen den jeweiligen Altbestand gut repräsentieren. Zudem wurden erste Aufnahmen phänotypischer Merkmale vorgenommen. Ihre Auswertung ergab z.T. deutliche Unterschiede zwischen den jeweiligen Populationen sowohl im Austriebsverhalten als auch hinsichtlich der Trockenstresstoleranz. 

Die Arbeiten der nächsten Projektphase werden sich schwerpunktmäßig auf das Translokationsexperiment konzentrieren. Auf der einen Seite wird die Aufnahme phänotypischer Merkmale der Jungpflanzen fortgesetzt, auf der anderen Seite wird im Labor weiterhin genetische Variation innerhalb der Kandidatengene identifiziert und analysiert. Das Experiment ermöglicht daher die direkte Untersuchung der genetischen Grundlagen der untersuchten phänotypischen Merkmale wie z.B. Trockenstresstoleranz. In enger Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen wird diese Studie zur Entwicklung von Strategien zur Erhaltung von Waldökosystemen beitragen. Die Ergebnisse der genetischen Untersuchungen der Buche sollen Empfehlungen sowohl für die natürliche als auch die künstliche Regeneration von Beständen ermöglichen.

Abb.1: Ein Teil des Translokationsexperiments im Harz und Aufnahme des Austriebsverhaltens imFrühjahr 2011.

Abstract

Beech (Fagus sylvatica L.) is one of the most important deciduous forest trees in Central Europe. Climate change models predict an extension of the vegetation period as well as a decreasing precipitation during the summer months for Germany. Therefore, an analysis of the adaptation potential of beech is of large interest. Populations growing along a precipitation gradient are examined in this study. Additionally to the investigation of adult trees, a translocation experiment with 3,600 progenies planted out in the driest environment as well as in a wet reference area is studied.

First of all, the analysis of selectively neutral genetic variation revealed a high genetic diversity for all investigated populations. Further, the results showed that some populations are genetically quite similar while others are highly differentiated.

Furthermore, 19 so called candidate genes that might be involved in the adaptation of phenotypic traits like bud burst or drought stress tolerance were selected literature based. Parts of these genes were sequenced and variation (differences in the DNA) was found. To investigate this variation in trees along the climatic gradient, genetic markers were successfully developed. They revealed genetically significant differences between populations which are more adapted to drought stress and populations growing in moister areas.

The analysis of neutral genetic markers of the translocation experiment established in 2010 revealed that the juvenile trees reliable represent the adult stands. In addition, first records of phenotypic traits partly showed strong differences between the populations regarding bud burst as well as drought stress tolerance.

These recordings will be proceeded in the next project phase. In addition, the identification and analysis of genetic variation within the candidate genes is continued. Therefore, the experiment facilitates a direct examination of the genetic background of the analysed phenotypic traits.

This study will help to develop strategies for the conservation of forest ecosystems in close collaboration with other workgroups within the research project “KLIFF”.

 

Antragsteller: Prof. Dr. Reiner Finkeldey

Mitarbeiter: Prof. Dr. Martin Ziehe, Dr. Sarah Seifert, Markus Müller M.Sc.

Kontakt:

Universität Göttingen

Forstgenetik und Forstpflanzenzüchtung

Büsgenweg 2

D-37077 Göttingen

Forstgenetik und Forstpflanzenzüchtung/Uni. Göttingen