| dc.contributor.advisor | Leinemann, Ludger PD Dr. | |
| dc.contributor.author | Pettenkofer, Tim | |
| dc.date.accessioned | 2020-03-20T12:49:59Z | |
| dc.date.available | 2020-03-20T12:49:59Z | |
| dc.date.issued | 2020-03-20 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-1367-2 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7926 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 634 | de |
| dc.title | Genetic analyses to determine the genetic variation and region of origin of introduced northern red oak (Quercus rubra L.) populations | de |
| dc.type | cumulativeThesis | de |
| dc.contributor.referee | Leinemann, Ludger PD Dr. | |
| dc.date.examination | 2019-09-27 | |
| dc.description.abstractger | Das natürliche Verbreitungsgebiet der Roteiche (Quercus rubra L.) erstreckt sich über den Osten und Nordosten der USA und über den Südosten von Kanada. Sie wurde am Ende des 17. Jahrhunderts in Frankreich eingeführt und gelangte von dort in Parks und botanische Gärten nach ganz Europa. Die Roteiche weist nur einen geringen Bedarf an Nährstoffen und Wasser auf: Sie benötigt mindestens einen Jahresniederschlag von 600 mm und kann harte Winter und heiße Sommer mit mittleren Temperaturen zwischen −12 und 26 °C ertragen. Im Augenblick ist die Roteiche mit ca. 44.000 ha die flächenmäßig bedeutendste nichtheimische Laubbaumart in Deutschland. Ihr Holz kann für eine Vielzahl von Produkten eingesetzt werden, eignet sich jedoch aufgrund der der unverthyllten Gefäße nicht zur Produktion von Weinfässern. Q. rubra gilt in Deutschland als anbauwürdig und kann die Anpassungsfähigkeit von Wäldern an die prognostizierten Klimaveränderungen verbessern.
Das erste Manuskript ist ein Überblick über alle relevanten Studien zur Herkunft und genetischen Variation von deutschen bzw. europäischen Beständen im Vergleich zu Populationen in Nordamerika. Das Manuskript verbindet die drei folgenden Artikel mit relevanten Studien. Allgemein ist es aufgrund des Mangels an geografischen Barrieren und isolierten glazialen Refugien bislang keiner Studie gelungen ausgeprägte nacheiszeitliche Rückwanderungsrouten zu identifizieren. Eine mögliche Folge ist die vergleichsweise niedrigere genetische Differenzierung von Q. rubra in ihrem natürlichen Verbreitungsgebiet. Andere Studien zeigen, dass europäische Roteichenbestände eine ausreichend hohe genetische Variation bei gleichzeitig niedriger genetischer Differenzierung aufweisen. Dies weist darauf hin, dass mehrfache Einführungen und Durchmischung von Saatgut die genetische Verarmung eingeführter Bestände verhindert haben. Insgesamt konnte keine der vorgestellten Studien bestimmte Ursprungsgebiete identifizieren. Mehrere Studien deuten jedoch darauf hin, dass der Ursprung eingeführter Bestände im nördlichen Teil des natürlichen Verbreitungsgebietes liegt.
Der zweite Artikel thematisiert die räumliche Verteilung von Variationsmustern an Chloroplasten-Markern in deutschen Beständen im Vergleich zu Populationen im natürlichen Verbreitungsgebiet. Dafür wurden Proben von 62 deutschen und nordamerikanischen Populationen an fünf cpSSR-Genorten untersucht. Im Vergleich zu nordamerikanischen Populationen zeigen deutsche Bestände nur eine relativ geringe Differenzierung zwischen Populationen und weisen nur einen Bruchteil der Haplotypendiversität auf. In den meisten Beständen in Baden-Württemberg wurde eine höhere Haplotypendiversität als in anderen Regionen Deutschlands gefunden. Während die meisten deutschen Bestände Anzeichen von Gründereffekten zeigten, könnte die Chloroplasten-Diversität im Südwesten Deutschlands durch mehrfache Einführungen und Durchmischung von verschiedenen nordamerikanischen Herkünften erhöht worden sein. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass deutsche Bestände möglicherweise aus einem begrenzten geografischen Gebiet im Norden des natürlichen Verbreitungsgebietes stammen.
Das Hauptziel des dritten Artikels war die Entwicklung von Chloroplasten-Markern, welche kosteneffizient und leicht anzuwenden sind. In Kombination mit bereits entwickelten cpSSR Markern sollten sie die Haplotypen-Auflösung in Populationen erhöhen. In einem ersten Schritt wurden 87-97 % des gesamten Chloroplastengenoms von 8 Bäumen aus verschiedenen Regionen des natürlichen Verbreitungsgebietes sequenziert und die Sequenzen mit Hilfe eines bereits vorhandenen Referenzgenoms zusammengefügt. Insgesamt konnten 118 SNPs und 107 Indels identifiziert- und im nächsten Schritt 15 CAPS-Marker entwickelt werden. In Kombination mit fünf etablierten cpSSR-Markern konnten bei der Anwendung auf 19 nordamerikanische Roteichenpopulationen insgesamt 10 kombinierte Haplotypen identifiziert werden. Dabei konnten zwei cpSSR-Haplotypen in insgesamt fünf kombinierte Haplotypen aufgetrennt werden. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die entwickelten Marker für die Untersuchung der Haplotypendiversität mit hoher Auflösung nützlich- und auf die eng verwandte Roteichenart Quercus ellipsoidalis übertragbar sind.
Der vierte Artikel beschäftigt sich mit neutralen und potenziell adaptiven nuklearen genetischen Variationsmustern in deutschen Roteichenbeständen. Dazu wurden 792 Bäume aus deutschen und nordamerikanischen Populationen untersucht. Für die Analyse wurden 12 potenziell adaptive EST- und 8 mutmaßlich selektiv neutrale nukleare Mikrosatelliten ausgewählt. Die Ergebnisse zeigen nicht nur, dass deutsche Bestände eine vergleichsweise hohe genetische Variation an beiden Markertypen aufweisen, insgesamt jedoch ähnlicher zueinander als zu nordamerikanischen Populationen sind, sondern auch, dass eingeführte Bestände aus einem begrenzten geografischen Gebiet im natürlichen Verbreitungsgebiet stammen. Die Abwesenheit Selektion in deutschen Beständen könnte darauf hinweisen, dass eingeführte Bestände mit Material begründet wurden, welche von Herkünften stammt, die bereits an Umweltbedingungen ähnlich derer in Deutschland angepasst waren. Um einen ausreichend hohen Grad an genetischer Variation in deutschen Beständen zu erhalten, seien keine zusätzlichen Saatgutimporte aus dem natürlichen Verbreitungsgebiet notwendig. Eine effektive Ergänzung des Roteichen-Genpools in Deutschland ist er auf der Grundlage weiterer Forschungen im Hinblick auf die Identifizierung besonders geeigneter Provenienzen sinnvoll. | de |
| dc.description.abstracteng | Northern red oak (Quercus rubra L.) has its natural distribution area in the eastern and north-eastern USA and south-eastern Canada and was first introduced at the end of the 17th century in France. Later, Q. rubra was planted in parks and botanical gardens all over Europe. In comparison to native white oak species, northern red oak can be harvested after only 80−120 years and features a comparably low demand for water and nutrients. It needs at least 600 mm precipitation per anno and can cope with hard winters and hot summers with mean temperatures between −14 and 26 °C. Currently, northern red oak is with 44.000 ha the most important non-native deciduous tree species in Germany. Its wood is used in a wide range of products, although it cannot be used in the construction of wine barrels. Northern red oak is currently regarded as qualified for cultivation in Germany and can improve the adaptation of forests to projected effects of climate change.
The first manuscript is a review of all relevant studies, that investigate the origin and genetic variation of German resp. European northern red oak stands in comparison to populations from the natural distribution range. This manuscript connects the three following papers with relevant research and provides a basis for future studies. In general, due to the lack of geographic barriers and isolated glacial refugia, various studies failed to identify particular post-glacial migration routes. A possible consequence is the -compared to other oak species- lower genetic differentiation of Q. rubra in its natural range. Other studies show that European red oak stands show sufficiently high genetic variation with at the same time only low genetic differentiation. This suggests that multiple introductions and admixture of seeding material might have prevented genetic erosion in introduced populations. All in all, none of the reviewed studies could identify a particular region of origin of introduced red oak stands. Yet all studies propose, that introduced stands originate from the northern part of the natural range.
The second paper addresses patterns of chloroplast variation in German red oak stands in comparison to populations in the natural distribution range. To characterize chloroplast haplotype diversity and geographic structure, individuals from 62 populations in Germany and North America were genotyped at five chloroplast microsatellite loci. In comparison to native reference populations, German red oak stands showed a relatively low genetic differentiation among populations and represented only a fraction of the haplotype diversity found in the natural distribution range. For several stands located in Baden-Wuerttemberg in south-western Germany, a considerably higher haplotype diversity compared to other German stands was found. While most German stands showed signatures of founder effects at chloroplast markers, the diversity of stands in Baden-Wuerttemberg might have been increased due to admixture and multiple introductions of different North American provenances. Overall, German stands seem to originate from a limited geographic area, possibly located in the northern part of the natural range.
The main objective of Paper 3 was to design chloroplast DNA markers that are cost- effective, easy to apply and to score. In combination with established cpSSR markers they should increase haplotype resolution in populations. In a first step, 87-97 % of the entire chloroplast genome (excluding the second inverted repeat) of 8 individuals of different regions within the red oaks natural range were sequenced with a coverage of 4,030X‒6,297X. Afterwards, the genome sequences were assembled using the publicly available chloroplast genome of Quercus rubra L. as a reference. 118 SNPs and 107 insertions and deletions were detected, allowing the development of 15 cleaved amplified polymorphic sequence (CAPS) markers for Q. rubra. By combining these markers with five established chloroplast microsatellite markers, 10 haplotypes were identified in the diversity panel of 19 red oak populations. Hereby, two cpSSR haplotypes could now be separated into five combined haplotypes. This study showed that the designed markers are useful to assess haplotype diversity with high resolution. Also, they are transferable to Quercus ellipsoidalis, a closely related species.
Paper 4 addresses patterns of neutral and potentially adaptive nuclear genetic variation in red oak stands across Germany. In total, 792 trees were genotyped. They included 611 trees from 12 stands in Germany of unknown origin and 181 trees from four populations within the natural range. For the analysis, 12 potentially adaptive- and 8 putatively selectively neutral nuclear microsatellite markers were selected. The results showed that German stands hold comparatively high levels of genetic variation at both EST-SSRs and nSSRs. Nevertheless, they are more similar to each other than to native populations. These findings support earlier chloroplast DNA studies which suggested that German populations originated from a limited geographic area within the natural range. Also, the absence of signatures of selection in German stands may suggest that introduced stands were founded with material from provenances that are already adapted to environmental conditions similar to those in Germany. All in all, the results suggest that for maintaining a sufficiently high level of genetic variation in Germany, an additional import of seeding material from the native range is not required. | de |
| dc.contributor.coReferee | Ammer, Christian Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | Northern red oak | de |
| dc.subject.ger | Quercus rubra | de |
| dc.subject.ger | origin | de |
| dc.subject.ger | genetic variation | de |
| dc.subject.ger | non-native tree species | de |
| dc.subject.ger | climate change | de |
| dc.subject.ger | genetic diversity | de |
| dc.subject.eng | Northern red oak | de |
| dc.subject.eng | Quercus rubra | de |
| dc.subject.eng | origin | de |
| dc.subject.eng | genetic variation | de |
| dc.subject.eng | non-native tree species | de |
| dc.subject.eng | climate change | de |
| dc.subject.eng | genetic diversity | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0005-1367-2-3 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.identifier.ppn | 1693110571 | |