A candidate gene-based association study to investigate potentially adaptive genetic variation in European beech (Fagus sylvatica L.)

Abstract

Klimawandelmodelle sagen für Deutschland sowohl höhere Jahresdurchschnittstemperaturen als auch eine Abnahme von Niederschlägen in den Sommermonaten voraus. Mögliche Konsequenzen für Bäume sind eine verlängerte Vegetationsperiode, ein erhöhtes Spätfrostrisiko und mehr Trockenstress während des Sommers. Diese veränderten Umweltbedingungen könnten zu Veränderungen der Konkurrenzverhältnisse zwischen Baumarten führen. Die Rotbuche (Fagus sylvatica L.) ist eine der wichtigsten Laubbaumarten Mitteleuropas. Daher ist das genetische Anpassungspotential dieser Baumart an den Klimawandel von großem Interesse. In dieser Studie wurden sowohl die neutrale als auch die adaptive genetische Variation der Buche untersucht. Dafür wurde ein Translokationsexperiment mit Nachkommen von Buchenpopulationen, die unter verschiedenen Umweltbedingungen in Norddeutschland wachsen, etabliert. Wiederholte Aufnahmen wichtiger phänotypischer Merkmale (Höhe, Austrieb, Trockenstresssensitivität, Sterblichkeit) zeigten signifikante Unterschiede zwischen den Populationen. Interessanterweise zeigten Populationen mit einer größeren geographischen Distanz teilweise ähnlichere Phänotypen als benachbarte Populationen. Die neutrale genetische Variation der untersuchten Sämlingspopulationen wurde anhand neun verschiedener Mikrosatellitenmarker analysiert. Zwischen den analysierten Buchenpopulationen wurde nur eine geringe genetische Differenzierung ermittelt. Die genetische Diversität war hoch und statistisch nicht signifikant unterschiedlich von den Altbeständen, aus denen sie stammten. Die hohe genetische Diversität ist eine gute Basis für Adaption, allerdings könnte sie wahrscheinlich nur eine kurzfristige Anpassung an den Klimawandel ermöglichen. Daher ist es wichtig, Einblicke in die genetische Basis von klimawandelrelevanten Merkmalen zu gewinnen. Deshalb wurden in dieser Studie Kandidatengene für das Austriebsverhalten untersucht. Bei der Analyse von Fragmenten von zehn verschiedenen Kandidatengenen wurden 20 Indels und 116 SNPs identifiziert. Insgesamt wurden 46 SNPs erfolgreich zur Genotypisierung von über 1.400 Individuen, die aufgrund ihres Austriebsverhaltens ausgewählt wurden, verwendet. Assoziationsanalysen wurden durchgeführt, um potentiell adaptive SNP-Marker zu identifizieren. Diese ergaben unter einem „generalisierten linearen Modell“ 23 signifikant mit dem Austrieb assoziierte SNPs. Ein zusätzlich verwendetes „gemischtes lineares Modell“ ergab nahezu gleiche Ergebnisse. Die phänotypische Variation, die durch signifikant mit dem Austrieb assoziierte SNPs erklärt wird, war niedrig (R2 < 2,2), aber in Übereinstimmung mit anderen Studien mit Waldbaumarten. Zusätzlich zu den Assoziationsanalysen wurden auch FST-Outlier-Analysen durchgeführt. Diese ergaben sieben verschiedene SNPs, die potentiell unter ausgleichender oder gerichteter Selektion stehen. Insgesamt wurden vier potentiell adaptive SNPs gleichzeitig durch Assoziations- und Outlier-Analysen identifiziert. Diese könnten die höchste Wahrscheinlichkeit aufweisen, an der Ausprägung des Austriebsverhaltens beteiligt zu sein. Allerdings sind viele potentiell adaptive SNPs, die in dieser Studie identifiziert wurden, nicht-kodierend oder synonym und somit nicht die kausativen SNPs, sondern eher gelinkt mit ihnen. Allerdings wurde in dieser Studie ein geringes Kopplungsungleichgewicht (linkage disequilibrium) gefunden. Somit könnten die kausativen SNPs in naher Umgebung liegen. Die in dieser Studie identifizierten potentiell adaptiven SNPs sollten in weiteren Studien mit zusätzlichen Populationen bestätigt werden.