Variation of candidate genes related to climate change in European beech (<i>Fagus sylvatica</i> L.)

Abstract

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.