Genetische Charakterisierung der slawonischen Stieleiche (Quercus robur subsp. slavonica (Gáyer) Mátyás) in Deutschland
Genetic characterization of the Slavonian oak (Quercus robur subsp. slavonica (Gáyer) Mátyás) in Germany
von Katrin Schmidt geb. Burger
Datum der mündl. Prüfung:2023-12-15
Erschienen:2024-01-30
Betreuer:Prof. Dr. Oliver Gailing
Gutachter:Prof. Dr. Oliver Gailing
Gutachter:Prof. Dr. Christian Ammer
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Format:PDF
Zusammenfassung
Englisch
The structure and composition of forests have a strong influence on forest ecosystems and their services and functions. From today's perspective, important properties such as ecosystem stability, biodiversity conservation and carbon storage capacity can be influenced by forest management. Actions toward forest restructuring are needed as response to the consequences of climate change, which includes the exploration of alternative tree species for forestry interest and thus becoming the focus of more research. Among them, the Slavonian pedunculate oak (Quercus robur subsp. slavonica (Gáyer) Mátyás), originated from eastern Croatia is of a particular interest due to its high growth performance and straightness. In Germany, the so far relatively unknown subspecies of pedunculate oak occupies a special position as a naturalized variety. However, it could help to improve the adaptability of future mixed oak forests, as its area of origin already shows climate data currently predicted for Germany in the future. In order to estimate the genetic potential of this tree species, worthwhile stands have to be investigated with regard to their genetic variability, structure and diversity. Through an extensive pool of genetic resources, the plants are enabled to adapt to changing environmental conditions, for example through gene flow. On the basis of the investigations carried out within the contextualized framework, this dissertation is intended to provide a valuable contribution to the field of forest genetics, focusing on: The study (Chapter 2) titled "The Slavonian oak (Quercus robur subsp. slavonica (Gáyer) Mátyás) as an Alternative for Climate Change: Experimental and Genomic Resources" deals with the research status of the Slavonian oak in Germany and establishes a fundamental basis for the subject matter. The main focus of this study is the investigation of the Slavonian oak with regard to its use as an alternative tree species for forest conversion in Germany, taking into account predicted climate changes. Combined with the low forestry interest of this variety, there are only few studies of genetic characterization, genetic variation and/or trait variation. This manuscript discusses relevant studies and results investigating adaptation-related and spatial genetic variation of Slavonian oak stands and associations with trait variation in an intraspecific crossing progeny [Q. robur subsp. robur x Q. robur subsp. slavonica]. Considering that the determination of the geographic origin determination of Slavonian oak populations in Germany has been predominantly studied using chloroplast DNA markers, the following manuscript presented in chapter 3 explores the genetic differentiation of Slavonian and indigenous oak populations in western Germany (North Rhine-Westphalia) using nuclear DNA markers. In this study, samples from 37 indigenous and Slavonian populations, which could already be characterized well in previous studies with chloroplast DNA markers,were analysed at 20 nuclear DNA markers. Genetic variation is considered an important prerequisite for sustainable use of genetic resources and to provide long-term adaptability of tree species. Using the nuclear DNA marker set, populations with haplotypes naturally occurring in both Germany and Croatia could be well distinguished. Overall, the results show that both nuclear and chloroplast DNA markers are necessary to distinguish between genetically very similar taxa. The combination of both marker types allows the distinct identification of the pedunculate oak varieties in mixed stands and helps to certificate the origin of reproductive material. In the study dealed in chapter 4, stands of indigenous and Slavonian oak and their natural regeneration were investigated with regard to their genetic variation and spatial structures. In Germany, in addition to artificial stand establishment, natural regeneration is a predominantly silvicultural practiced form of forest regeneration that allows the genetic composition to be conserved. Besides quantitatively sufficientself-differentiation and well distributed individuals in the regeneration layer, genetic variation and spatial genetic structures are relevant for the quality and vitality of the stand. For the fourth study, therefore, two Slavonian and two indigenous stands and their natural regeneration were genetically characterized at both 23 nuclear DNA markers and 5 chloroplast DNA markers. The results show that the genetic information of old-growth stands is almost completely inherited to the next generation. The reason for this is the similar, high level of genetic variation, low genetic differentiation, and similar to matching haplotype composition as exhibited by the respective old-growth stands. Since genetic diversity has a strong impact on the adaptability of populations to changing environmental conditions and their survival, high genetic variability can ensure stability and sustainability of forest ecosystems. Furthermore, there was no evidence of hybridization or gene flow between Slavonian and indigenous populations. A possible reason for this could be the different timing of bud burst of the studied taxa. The last chapter of the dissertation (Chapter 5) deals with the construction of the first RADseq (restriction site-associated DNA sequencing) SNP marker-based, high-resolution, genetic linkage map (male and female) within the intraspecific Quercus robur - full sib family (Q. robur × Q. robur ssp. slavonica). For the construction of the female and male genetic linkage maps, 249 progenies of the controlled intraspecific cross Q. robur x Q. robur ssp. slavonica were used. Genetic linkage maps were generated using the pseudo-testcross method and the Kosambi mapping function. A total of 473 SNP markers were mapped on the female linkage map and 502 SNP markers were mapped on the male linkage map, each consisting of 12 linkage groups. These maps provide a valuable basis for conducting future quantitative trait loci (QTL) analyses, identification of genes involved in adaptive trait variation, and comparative genomic analyses.
Keywords: Slavonian oak; genetic variation; special origin; genetic assignment; genetic linkage maps
Deutsch
Der Aufbau und die Bestockung von Wäldern haben einen starken Einfluss auf Waldökosysteme sowie deren Leistungen und Funktionen. Aus heutiger Sicht wichtige Eigenschaften wie Ökosystemstabilität, Erhalt biologischer Vielfalt und Kohlenstoffspeicherfähigkeit lassen sich über verschiedene Ansätze der Bewirtschaftung beeinflussen. Mit dem durch klimatische Veränderungen notwendig gewordenen Waldumbau gewinnen immer häufiger vorher kaum beachtete Alternativbaumarten an forstlichem Interesse und rücken damit stärker in den Fokus der Forschung. Eine dieser Alternativbaumarten ist die aus dem Osten Kroatiens stammende slawonische Stieleiche (Quercus robur subsp. slavonica (Gáyer) Mátyás). In Deutschland nimmt die bisher relativ unbekannte Art als eingebürgerte Varietät eine Sonderstellung ein. Sie könnte jedoch helfen die Anpassungsfähigkeit zukünftiger Eichenmischwälder zu verbessern, da ihr Ursprungsgebiet bereits gegenwärtig Klimadaten aufweist, die zukünftig für Deutschland prognostiziert werden. Um das genetische Potential dieser Baumart abschätzen zu können, müssen lohnenswerte Bestände hinsichtlich ihrer genetischen Vielfalt, Struktur und Diversität untersucht werden. Nur eine umfassende genetische Ausstattung ermöglicht es den Pflanzen sich u. a. über Genfluss, an veränderliche Umweltbedingungen anzupassen. Anhand der in den nachfolgend beschriebenen Studien durchgeführten Untersuchungen soll diese Dissertation einen Beitrag dazu leisten: Die Studie (Kapitel 2) mit dem Titel „Die slawonische Stieleiche (Quercus robur subsp. slavonica (Gáyer) Mátyás) als Alternative für den Klimawandel: Experimentelle und genomische Ressourcen“ befasst sich mit dem Forschungsstand der slawonischen Stieleiche in Deutschland und dient als Themeneinleitung. Den Schwerpunkt dieser Studie bildet die Untersuchung der slawonischen Stieleiche hinsichtlich einer Nutzung als Alternativbaumart für den Waldumbau in Deutschland unter Berücksichtigung prognostizierter Klimaveränderungen. Einhergehend mit dem bisher geringen forstlichen Interesse dieser Varietät, gibt es bisher nur wenige Untersuchungen der genetischen Charakterisierung, genetischen Variation und/oder Merkmalsvariation. In diesem Manuskript werden einschlägige Studien und Ergebnisse zur Untersuchung anpassungsrelevanter und räumlicher genetischer Variation slawonischer Stieleichenbestände sowie Assoziationen mit der Merkmalsvariation in einer innerartlichen Kreuzungsnachkommenschaft [Q. robur subsp. robur x Q. robur subsp. slavonica] erörtert. Vor dem Hintergrund, dass die geographische Herkunftsermittlung slawonischer Stieleichenbestände in Deutschland bisher überwiegend anhand von Chloroplasten-DNA-Markern untersucht wurde, befasst sich das nächste Manuskript (Kapitel 3) mit der genetischen Differenzierung slawonischer und einheimischer Stieleichenbestände in Westdeutschland (Nordrhein-Westphalen) über Kern-DNA-Marker. Hier wurden Proben von 37 einheimischen und slawonischen Populationen, die sich bereits in früheren Studien über Chloroplasten-DNA-Markern sehr gut charakterisieren ließen, an 20 Kern-DNA-Markern untersucht. Genetische Variation gilt als wichtige Voraussetzung für eine nachhaltige Nutzung genetischer Ressourcen und um eine langfristige Anpassungsfähigkeit der Baumarten zu gewährleisten. Unter Verwendung des Kern-DNA-Markersets ließen sich die Populationen mit Haplotypen, die sowohl in Deutschland als auch in Kroatien natürlich vorkommen, gut unterscheiden. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass sowohl Kern- als auch Chloroplasten-DNA Marker notwendig sind, um die genetisch ähnlichen Taxa zu unterscheiden. Die Kombination beider Markerarten lässt damit erstmals eine eindeutige Identifizierung der Stieleichenvarietäten in Mischbeständen zu und hilft innerhalb der Zertifizierung die Herkunft des Vermehrungsmaterials nachzuweisen. In einer weiteren Studie (Kapitel 4) wurden Bestände aus einheimischer und slawonischer Stieleiche sowie deren Naturverjüngung hinsichtlich ihrer genetischen Variation und räumlichen Strukturen untersucht. In Deutschland ist neben der künstlichen Bestandsbegründung die natürliche Verjüngung eine überwiegend waldbaulich praktizierte Form der Waldregeneration, die es zulässt das genetische Erbgut zu erhalten. Neben zur Selbstdifferenzierung quantitativ ausreichend und gut verteilter Individuen in der Verjüngungsschicht sind für die Qualität und Vitalität des Bestandes die genetische Variation und räumlich genetische Strukturen relevant. Für die dritte Studie wurden daher zwei slawonische und zwei einheimische Bestände sowie deren Naturverjüngung sowohl an 23 Kern DNA-Markern als auch an 5 Chloroplasten-DNA-Markern genetisch charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die genetische Information von Altbeständen fast vollständig an die nächste Generation weitergegeben wird. Der Grund hierfür liegt in dem ähnlich hohen Maß an genetischer Variation, einer geringen genetischen Differenzierung sowie einer ähnlichen bis übereinstimmenden Haplotypen Zusammensetzung wie sie die jeweiligen Altbestände aufzeigen. Da sich die genetische Vielfalt stark auf die Anpassungsfähigkeit von Populationen an sich ändernde Umweltbedingungen und ihr Überleben auswirkt, kann durch eine hohe genetische Variabilität eine Stabilität und Nachhaltigkeit von Waldökosystemen gewährleistet werden. Darüber hinaus gab es keine Hinweise auf Hybridisierung oder Genfluss zwischen slawonischen und einheimischen Populationen. Ein naheliegender möglicher Grund hierfür ist der unterschiedliche Austriebzeitpunkt der untersuchten Taxa. Das letzte Kapitel der Dissertation (Kapitel 5) befasst sich mit der Erstellung der ersten auf RADseq (restriction site-associated DNA sequencing) - SNP-Markern basierenden, hochauflösenden, genetischen Kopplungskarte (männlich und weiblich) innerhalb der intraspezifischen Quercus robur - Vollgeschwisterfamilie (Q. robur x Q. robur ssp. slavonica). Zur Erstellung der weiblichen und männlichen genetischen Kopplungskarten wurden 249 Nachkommen der kontrollierten intraspezifischen Kreuzung Q. robur x Q.robur ssp. slavonica verwendet. Dabei wurden die genetischen Kopplungskarten unter der Anwendung der Pseudo-Testcross-Methode und mit Hilfe Kosambis Kartierfunktion erstellt. Insgesamt wurden 473 SNP-Marker auf der weiblichen und 502 SNP-Marker auf der männlichen Kopplungskarte kartiert, die jeweils aus 12 Kopplungsgruppen bestehen. Diese Karten bilden u. a. eine wertvolle Grundlage für die Durchführung zukünftiger QTL (Quantitative Trait Loci) - Analysen, Identifizierung von an der Variation adaptiver Merkmale beteiligter Gene sowie für vergleichende Genomanalysen.
Schlagwörter: slawonische Stieleiche; genetische Variation; Sonderherkunft; genetische Kopplungskarten