| dc.contributor.advisor | Krutovsky, Konstantin Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Cuervo Alarcon, Laura Carolina | |
| dc.date.accessioned | 2017-04-26T08:42:15Z | |
| dc.date.available | 2017-04-26T08:42:15Z | |
| dc.date.issued | 2017-04-26 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0023-3E27-A | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6270 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6270 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 570 | de |
| dc.title | Genetic analysis of European beech populations across precipitation gradients: understanding the adaptive potential to climate change | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Krutovsky, Konstantin Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2017-03-16 | |
| dc.description.abstractger | Die Rotbuche (Fagus sylvatica) ist eine der wichtigsten Laubbaumarten in Europa. Klimawandelmodelle sagen für die Schweiz geringere Niederschläge, eine höhere mittlere Jahrestemperatur und häufigere Trockenheitsereignisse während des Sommers voraus. Weiterhin können steigende Temperaturen zu einem früheren Blattaustrieb im Frühling und zu einer späteren Knospenbildung im Herbst führen, was zu einem erhöhten Risiko von Frostschäden führt. Diese veränderten Umweltfaktoren können das Wachstum und das Überleben der Rotbuche negativ beeinflussen. Daraus folgend, ist das genetische Adaptationspotential der Rotbuche in Bezug auf den Klimawandel von höchstem Interesse.
In dieser Studie wurde hauptsächlich die genetische Basis der Adaptation der Rotbuche an den Klimawandel mithilfe von Kandidatengenen untersucht. Dazu wurden Rotbuchenpopulationen entlang eines Niederschlagsgradienten in der Schweiz ausgesucht. In diesen Populationen wurde Blattmaterial von ausgewachsenen Bäume und von Keimlingen gesammelt. Die Keimlinge wurden zusätzlich für ein kontrolliertes Trockenstressexperiment genutzt. Die Ergebnisse des Trockenstressexperiments zeigten, dass wichtige klimarelevante Merkmale wie Knospensprung, Chlorophyllfluoreszenz und Stammwachstum der Keimlinge durch trockene Bedingungen negativ beeinflusst werden. Obwohl die Keimlinge von trockenen Populationen weniger sensitiv zu trockenen Bedingungen waren.
Alle Individuen wurden mit 13 Mikrosatellitenmarkern (SSR) und 76 SNPs in 24 klimaassoziierten Genen genotypisiert. Die Ergebnisse der Mikrosatelliten und SNP-Analysen zeigten eine hohe genetische Variabilität innerhalb, und eine geringe signifikante Differenzierung zwischen den untersuchten Populationen. Signifikante Unterschiede zwischen den ausgewachsenen Bäumen und Keimlingen konnte nicht gefunden werden. Hohe genetische Variabilität ist für eine Art wichtig um sich an Umweltveränderungen anpassen zu können. Daher wurden in dieser Studie drei Ansätze genutzt um die adaptive genetische Variabilität der Rotbuche zu untersuchen. Erstens, die Analyse von Ausreißern zeigte jeweils drei Ausreißer mit SSR-Markern und mit SNP-Markern, die potentiell unter positiver oder balancierter Selektion sind. Zweitens, bei einer Phänotyp-Assoziationsanalyse wurden sieben SNPs gefunden, die signifikant mit Chlorophyllfluoreszenz- und Stammzuwachs-Merkmalen assoziiert sind. Die phänotypische Variation, die durch die signifikant assoziierten SNPs erklärt wurde, war im Vergleich zu anderen Studien hoch (4.1 ≤ R2 ≤ 13.4). Drittens, die Umweltassoziationsanalyse fand 24 SNPs, die signifikant mit Umweltfaktoren wie Niederschlag, Temperatur und Trockenheit assoziiert sind. Insgesamt wurden neun potentiell adaptive SNPs in sieben Kandidatengenen gleichzeitig bei zwei oder drei der durchgeführten Ansätze identifiziert. Die Wahrscheinlichkeit bei der Adaptation an trockene Bedingungen involviert zu sein, ist für diese acht SNPs am höchsten. Zwei der neun identifizierten SNPs sind nicht-synonym, vier sind synonym und zwei sind nicht nicht-codierend. Obwohl synonyme und nicht-codierende SNPs traditionell als neutral angesehen werden, können sie in der Regulation von Genexpression involviert sein und daher adaptive genetische Variation repräsentieren.
Limitierend bei der Untersuchung von Kandidatengenen, ist die begrenzte Anzahl der selektierten und analysierten Gene und dabei das Ignorieren von anderen möglicherweise relevanter Gene. Jedoch bei Organismen, wie die Rotbuche, ohne verfügbares Referenzgenom, ist der Ansatz der Kandidatengenanalyse eine exzellente Alternative für die Untersuchung von genetischer adaptiver Variation. Die Ergebnisse dieser Studie können eine Hilfestellung sein, das genetische adaptive Potential der Rotbuche in Bezug auf den Klimawandel besser zu verstehen. Weiterhin können die erlangten Erkenntnisse zur Verbesserung von wissenschaftlichen Richtlinien zur nachhaltigen Bewirtschaftung und zum Schutz dieser wichtigen Baumart beitragen. | de |
| dc.description.abstracteng | European beech (Fagus sylvatica) is one of the most important forest tree species in Europe and could be affected by climate change. Climate change scenarios for Switzerland predict less precipitation, higher annual mean temperatures and more frequent droughts during summer that could affect beech survival. Additionally, increasing temperatures could promote earlier flushing in spring and later bud set in autumn, potentially increasing the risk of frost damage. Consequently, the genetic adaptation potential of European beech to climate change is of great interest.
The main objective of this study was to investigate the genetic basis of adaptation of European beech to climate change using a candidate gene approach. For this purpose, beech populations along precipitation gradients in Switzerland were selected. Samples of adult trees and saplings were collected, and the saplings were additionally subjected to a controlled drought stress experiment. Results of the drought stress experiment revealed that important climate related traits such as bud burst, chlorophyll fluorescence and stem growth of the saplings were negatively affected by drought conditions. However, saplings from xeric populations were less sensitive to drought conditions.
All individuals were genotyped for 13 microsatellite (SSR) markers and 76 SNPs in 24 climate-related candidate genes. Analyses of microsatellite and SNP markers demonstrated that the investigated populations have high genetic variability and low but significant population differentiation. Additionally, no significant differences in genetic variability were detected between saplings and adults. High genetic variability is important for a species to be able to adapt to environmental changes. Thus, to evaluate the adaptive genetic variability of European beech, three different approaches were used. First, outlier analysis revealed three outlier SSRs and three outlier SNPs that are potentially under positive or balancing selection. Second, a phenotypic association analysis revealed seven SNPs significantly associated with chlorophyll fluorescence and stem growth traits. The phenotypic variation explained by the significant associated SNPs was relatively high (4.1 ≤ R2 ≤ 13.4) compared to other studies. Third, an environmental association analysis revealed 24 SNPs significantly associated with environmental variables such as precipitation, temperature and aridity. In total, 9 potentially adaptive SNPs in seven candidate genes were simultaneously identified by two or three of the approaches used; these SNPs might have the highest probability of being involved in adaptation to drought conditions. Two of the identified SNPs are non-synonymous, four are synonymous and two are non-coding SNPs. Although synonymous and non-coding SNPs are traditionally thought to be neutral, they are involved in the regulation of gene expression and thus, can represent adaptive genetic variation.
Candidate gene approaches are limited by the selected genes and may ignore other genes that could be of relevance. However, for organisms for which there is no reference genome as is the case of European beech, candidate gene approaches are an excellent alternative for the study of genetic adaptive variation. The results obtained in this study contribute to a better understanding of the genetic adaptive potential of European beech to climate change and may improve the development of scientific guidelines for the sustainable management and the conservation of this important species. | de |
| dc.contributor.coReferee | Becker, Heiko C. Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | European beech | de |
| dc.subject.ger | Fagus sylvatica | de |
| dc.subject.ger | Climate change | de |
| dc.subject.ger | Adaptation | de |
| dc.subject.ger | Candidate genes | de |
| dc.subject.eng | European beech | de |
| dc.subject.eng | Climate change | de |
| dc.subject.eng | Adaptation | de |
| dc.subject.eng | Candidate genes | de |
| dc.subject.eng | Fagus sylvatica | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0023-3E27-A-2 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.identifier.ppn | 885131711 | |