Variation of candidate genes related to climate change in European beech (Fagus sylvatica L.)
Variation klimawandelrelevanter Kandidatengene bei der Rotbuche (Fagus sylvatica L.)
by Sarah Seifert
Date of Examination:2012-01-10
Date of issue:2012-03-05
Advisor:Prof. Dr. Reiner Finkeldey
Referee:Prof. Dr. Reiner Finkeldey
Referee:Prof. Dr. Andrea Polle
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
European beech (Fagus sylvatica) is an ecologically and economically important tree species in Central Europe. Although beech is a highly competitive species, it does not colonize all habitats in its area of distribution, e.g., very dry habitats. Climate change scenarios predict higher annual mean temperatures and a decrease of precipitation in the summer months. This may increase the drought stress risk in summer and the late frost risk in spring. A candidate gene approach and the analysis of variation within these candidate genes were used in this study to investigate the genetic background of drought stress and bud phenology. Populations along a precipitation gradient in Northern Germany were studied. Additionally, a controlled drought stress experiment was conducted.The neutral genetic diversity analysed with nine microsatellite markers was found to be high for all locations and is comparable to other beech populations. Partial sequences of ten candidate genes were identified at the genomic level and SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) were analysed. The nucleotide diversity range is comparable to other tree species, whereas the mean nucleotide diversity is comparatively low. All populations were found to be significantly different with respect to genetic differentiation.Ten of the seventeen investigated SNPs were found to be significantly different comparing the populations with the highest and the lowest amount of precipitation. The analysis with microsatellite markers showed that these two populations are genetically very different already at neutral markers. Thus, different population histories cannot be ruled out as a reason for the significant differentiation analysing this population pair. In contrast, the populations with the lowest and the middle amount of precipitation are genetically very close, analysed with neutral markers. As expected, only two SNPs were significantly different. These SNPs are from two different genes, isocitrate dehydrogenase and ascorbate peroxidase 4 and are possibly involved in the adaptation to drought stress. Nevertheless, the SNPs found to be different in the comparison of the other population pairs should not be disregarded. The comparison of the damaged and undamaged seedlings from the controlled drought stress experiment revealed that only one SNP in the ascorbate peroxidase 4 gene is significantly different.Although the high neutral genetic diversity is a good basis for adaptation, it is necessary to study the genetic background of climate change related traits to assess the genetic potential to adapt to the changing environmental conditions. The number of analysed candidate genes and SNPs was low in this study, mainly due to the limited available sequences for F. sylvatica. However, it was possible to detect SNPs that are significantly different between the investigated populations and are therefore possibly involved in the adaptation to drought stress. This study is only a first step for the investigation of the genetic background of drought tolerance in the non-model species European beech. In future, the now available next-generation sequencing techniques may be used for further investigation.
Keywords: <i>Fagus sylvatica</i>; climate change; candidate genes; drought stress; genetic diversity
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Die Rotbuche (Fagus sylvatica) ist eine ökonomisch und ökologisch bedeutende Baumart in Mitteleuropa. Obwohl die Rotbuche eine sehr konkurrenzstarke Baumart ist, besiedelt sie nicht alle Habitate in ihrem Verbreitungsgebiet, ausgenommen sind z.B. sehr trockene Habitate. Klimawandelszenarien prognostizieren steigende Jahresdurchschnittstemperaturen und abnehmende Niederschläge in den Sommermonaten, was das Trockenstressrisiko für die Rotbuche erhöhen wird. Zusätzlich könnten die steigenden Temperaturen einen früheren Austrieb im Frühling verursachen, was sich möglicherweise zusätzlich negativ auf die Buche auswirken wird. Ein Kandidatengenansatz und die Analyse der Variation in Kandidatengenen wurden in dieser Studie verwendet, um den genetischen Hintergrund von Trockenstresstoleranz und Austriebsverhalten zu untersuchen. Rotbuchenpopulationen entlang eines Niederschlagsgradienten in Norddeutschland wurden dafür ausgewählt. Zusätzlich wurde ein kontrolliertes Trockenstressexperiment durchgeführt.Die neutrale genetische Diversität untersucht anhand von neun Mikrosatellitenmarkern war in allen Populationen hoch und ist vergleichbar mit anderen Rotbuchenpopulationen. Fragmente von zehn Kandidatengenen wurden auf genomischer Ebene identifiziert und SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) wurden analysiert. Die Spanne der Nukleotiddiversitäten ist vergleichbar mit anderen Baumarten, wohingegen die durchschnittliche Nukleotiddiversität vergleichsweise niedrig ist. Die Analyse der genetischen Differenzierung anhand von Mikrosatelliten und SNPs zeigte, dass sich alle Populationen signifikant voneinander unterscheiden.Zehn der siebzehn untersuchten SNPs waren signifikant unterschiedlich zwischen der Population mit dem höchsten Jahresniederschlag und der Population mit dem niedrigsten Jahresniederschlag. Die Analyse der neutralen genetischen Diversität ergab allerdings, dass die beiden Populationen sich genetisch stark voneinander unterscheiden. Für dieses Populationspaar kann daher nicht ausgeschlossen werden, dass die signifikanten Unterschiede an den SNP-Markern auf unterschiedliche Populationsgeschichten zurückzuführen sind. Demgegenüber konnten die neutralen Marker zeigen, dass sich die beiden Populationen mit dem niedrigsten und dem mittleren Niederschlag genetisch sehr ähnlich sind. Wie zu erwarten, waren nur zwei SNPs im Vergleich dieser beiden Populationen signifikant unterschiedlich. Die beiden SNPs befinden sich in den Genen Isocitrat-Dehydrogenase und Ascorbat Peroxidase 4 und haben möglicherweise einen Einfluss auf die Trockenstresstoleranz der Rotbuche. Allerdings sollten auch die SNPs, die signifikante Unterschiede im Vergleich der anderen Populationen zeigten, nicht außer Acht gelassen werden. Der Vergleich von geschädigten und nicht geschädigten Jungpflanzen im Rahmen des kontrollierten Trockenstressexperimentes ergab, dass nur einer der untersuchten SNPs leicht signifikant unterschiedlich zwischen den beiden Gruppen war. Es handelt sich dabei um einen SNP im Gen Ascorbat Peroxidase 4.Obwohl die hohe neutrale genetische Diversität eine gute Grundlage für Anpassung bildet, ist es wichtig den genetischen Hintergrund von klimawandelrelevanten Merkmalen zu untersuchen, um das genetische Anpassungspotential an das sich verändernde Klima einschätzen zu können. Die Anzahl der untersuchten Kandidatengene und SNPs in dieser Studie ist niedrig, vor allem, weil nur wenige Sequenzinformationen für die Rotbuche zur Verfügung standen. Trotzdem war es möglich SNPs zu finden, die statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Populationen aufweisen und die daher möglicherweise an der Anpassung an Trockenstress beteiligt sind. Diese Untersuchung ist nur ein erster Schritt für die Erforschung der genetischen Grundlagen von Trockenstresstoleranz bei der nicht-Modellbaumart Rotbuche. In der Zukunft können neue nun verfügbare Sequenziertechniken für weiterführende Analysen verwendet werden.
Schlagwörter: <i>Fagus sylvatica</i>; Klimawandel; Kandidatengene; Trockenstress; genetische Diverisät