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Responses of forest trees to environmental change: Disturbance and adaptive potential - How fast can long-lived plants react to environmental change?

  • Global climate change is occurring all over the world, but in the Arctic the climate is changing more rapidly and drastically than in many other parts of our planet. Many species that are already at their climatic limit need to adapt to recent climate conditions or migrate in order to not go extinct. The possibilities of adaption include phenotypic plasticity and adaptation to various extents. This is also the case for white spruce P. glauca, which belongs to the conifers and thus in the largest group of gymnosperms still living today. Among the approx. 600 extant conifer species white spruce is one of the most widespread trees in North American boreal forests. Its range extends from 69° N in the Canadian Northwest Territories to the Great Lakes at about 44° N, where it occurs from sea level to an altitude of about 1520 m (Burns and Honkala, 1990). Site related, climate-dependent differences in white spruce reproduction can be seen as a strategy to survive under the harsh climatic conditions at Alaska's treelines: Besides sexual reproduction, the vegetative propagation occurs in the white spruce as an additional reproductive mechanism. This can be realized by "layering" when the lower branches of the tree crown touch the ground and develop roots to later grow as a separate individual with or without a connection to the mother tree. Known as other mechanisms of vegetative propagation are also the rooting of fallen trees which were not completely uprooted, and the "root suckering", in which new shoots sprout from the roots of the tree. However, the latter was not yet observed in the genus Picea. With the help of short, repetitive, non-coding sequences in the genome, which are therefore not subject to selection and are called microsatellites, these clones can be determined by genotyping. For this purpose, using different polymorphic microsatellites, an individual multilocus genotype is created for each tree, by means of which it can be compared with all other trees of the same species. In the first part of this work (article I), the occurrence of clones in three study areas at Alaskan treelines are examined and the reasons for their appearance in variable numbers are discussed. For this purpose, 2571 white spruces (P. glauca) were genotyped and their position was determined via differential GPS in the field. The percentage of clonal trees is higher in areas with harsh climatic conditions and correlates with the height of the lowest branches of the tree crown. This suggests that the vegetative propagation of white spruce is a backup strategy for times when climatic conditions hamper sexual reproduction. The correlation between clone numbers and tree crown height suggests "layering" as the main mechanism for cloning whereas selection for vegetative reproduction seems to be very unlikely shown by the results for genetic differentiation between the clonal and the singleton trees in this study. In the second part of this work (articles II and III), the influence of environmental factors and phenotypic traits on the mycobiome of the needles (including all fungi living on (epiphytic) and in (endophytic) the needles) in our study areas in Alaska was investigated. The mycobiome of the white spruce needles was chosen as a proxy for the parasite infection rate by fungi and thus serves as a fitness parameter. For this purpose, all epiphytic and endophytic fungal species were analyzed by a metabarcoding analysis. In article II, 48 trees of one study area at Alaska’s northern treeline (Brooks Range) were examined for differences in mycobiome due to genetic differentiation, phenotypic characteristics and / or habitat characteristics. The trees used for this study were sampled from two adjacent plots on a south-facing mountain slope with an elevation gradient from 875 to 950 meters above sea level. It could be shown that, in contrast to the trees genotype, the height above sea level, the mountain slope, as well as the height and age of the trees have a significant impact on the mycobiome. The genetic differentiation between the tree individuals, however, showed no significant effect. Based on article II we examined the mycobiome composition of a total of 96 trees in 2 plots (16 trees each) at three sites in Alaska over a distance of 500 kilometers. Additionally, we sampled needles of two different ages for each tree (current year and three years old needles) summing up to 192 samples in total. The incentive of this study (article III) was to investigate the influence of origin and age of spruce needles on their mycobiome and if there is a genetic predisposition that is related to the fungal species community. In addition, the sampling design was improved by collecting needles from all four orientations (North, South, East and West) and sampling trees at a standardized distance to each other to avoid systematic errors. Comparable to article II the influence of the trees genetics on the species community of the epiphytic and endophytic fungi of the white spruce needles seems to be very unlikely. In contrast, a significant influence of the geographic origin and the needle age on the species structure of the needle inhabiting fungal species was found. The phenotypic tree traits height and dbh (diameter at breast height) had only minor influence and did in fact explain less than 2% of the mycobiome variance. Using Illumina sequencing, 10.2 million reads from the nucleotide sequence between the internal transcribed spacer (ITS) genes could be obtained, which yielded in 1575 ribotypes (called operational taxonomic unit, OTU) for the fungi. These were compared with a reference database to compare and assign them to known fungal species. For example, 942 OTUs with >95% similarity could be identified as known species, with 1975 samples identified on genus level and 2683 when determined to family level. The most pronounced difference between the two studies (article II and III) were due to the fungal species of the class of Pucciniomycetes, more specifically the genus Chrysomyxa which belongs to the rust fungi and is plant pathogenic. In the study of article II (sampling in 2012), Pucciniomycetes accounted for only a minor portion of the assigned DNA sequences. In the second study (article III, sampling in 2015) they accounted for more than half of all basidiomycetes found, which in turn contain 20.0% of all DNA sequences, the second largest phylum found beside Ascomycetes (51.4%).
  • Der globale Klimawandel ist überall auf der Erde spürbar, in der Arktis ändert sich das Klima allerdings schneller und drastischer als in vielen anderen Regionen unseres Planeten. Viele Arten, die bereits am Limit ihrer ökologischen Nische leben, sind davon betroffen und müssen sich anpassen oder abwandern, um nicht auszusterben. Als Möglichkeiten der Anpassung findet man phänotypische Plastizität oder Adaptation in verschiedenen Ausmaßen. So auch bei der Weißfichte (Picea glauca (Moench) Voss), welche zu den Nadelhölzern (Koniferen) und somit in die größte heute noch lebende Gruppe der nacktsamigen Pflanzen (Gymnospermae) gehört. Unter den ca. 600 lebenden Koniferen gehört die Weißfichte zu den am weitverbreitetsten Bäumen in den borealen Wäldern Nordamerikas. Ihr Verbreitungsraum erstreckt sich von 69° N in den Canadian Northwest Territories bis zu den Great Lakes (Ontario) bei ca. 44° N, wobei sie von Meeresspiegelniveau bis auf einer Höhe von ungefähr 1520 m vorkommt. Gebietsbezogene, vom Klima abhängige Unterschiede in der Fortpflanzung der Weißfichten können als Strategie gesehen werden, unter den rauen klimatischen Bedingungen an den Baumgrenzen Alaskas zu überleben: Neben der sexuellen Fortpflanzung, kommt bei der Weißfichte als zusätzlicher Reproduktionsmechanismus vegetative Vermehrung vor. Dies kann durch „Layering“ geschehen, wenn die unteren Äste der Baumkrone den Boden berühren und Wurzeln bilden, um später als eigenständiges Individuum mit oder auch ohne Verbindung zum Mutterbaum zu wachsen. Bekannt sind als weitere Mechanismen der vegetativen Vermehrung aber auch das Wiederaustreiben umgestürzter Bäume die nicht völlig entwurzelt wurden, sowie das „root suckering“ , bei welchem neue Triebe aus den Wurzeln des Baumes sprießen. Letzteres wurde bei Picea spp. allerdings bisher nicht beobachtet. Mit Hilfe von kurzen, repetitiven, nicht kodierenden Sequenzen im Genom, die somit keiner sexuellen Selektion unterliegen und Mikrosatelliten genannt werden, können diese Klone anhand einer Genotypisierung bestimmt werden. Hierfür wird anhand verschieden polymorpher Mikrosatelliten, ein für jeden Baum individueller Multilokusgenotyp erstellt, anhand welchem dieser mit allen anderen Bäumen derselben Spezies verglichen werden kann. Im ersten Teil der hier vorliegenden Arbeit (Artikel I), wird die unterschiedliche Anzahl von Klonen in verschiedenen Untersuchungsgebieten an Alaskas Baumgrenzen untersucht und die Gründe hierfür diskutiert. Dafür wurden 2571 Weißfichten (P. glauca) genotypisiert und mittels Differential-GPS kartiert. Der prozentuale Anteil von klonalen Bäumen ist in den Untersuchungsgebieten mit rauen klimatischen Bedingungen höher und korreliert mit der Höhe der untersten Zweige der Baumkrone. Das lässt darauf schließen, dass die vegetative Vermehrung bei Weißfichten eine Ausweichstrategie ist, für Zeiten, in denen die Klimabedingungen eine sexuelle Vermehrung erschweren. Zusätzlich lässt der Zusammenhang zwischen Klonzahlen und Höhe der Baumkrone Rückschlüsse darauf zu, dass es sich bei dem Mechanismus des Klonens um „Layering“ handelt. Eine positive oder negative Selektion durch eine vegetative Vermehrung erscheint durch die genetischen Untersuchungen in unserer Studie sehr unwahrscheinlich. Im zweiten Teil der hier vorliegenden Arbeit (Artikel II und III) wurde untersucht, welchen Einfluss Umweltfaktoren und phänotypische Merkmale auf das Mykobiom der Nadeln (Gesamtheit der auf und in den Nadeln lebenden Pilzspezies) in unseren Untersuchungsgebieten in Alaska haben. Das Mycobiom der Weißfichtennadeln wurde als Proxy für den Parasitenbefall durch Pilze gewählt und dient somit als Fitnessparameter. Hierzu wurden per Metabarcoding-Analyse die Gesamtheit der epiphytisch und endophytisch vorkommende Pilzarten analysiert. In Artikel II wurden 48 Bäume eines Untersuchungsgebietes an der nördlichen Baumgrenze Alaskas (Brooks Range) auf Unterschiede im Mycobiom untersucht, die auf genetische Differenzierung, phenotypische Merkmale und/oder Habitatbeschaffenheit zurückzuführen sind. Die Bäume die für diese Studie verwendet wurden, stammen aus zwei benachbarten Plots an einem südlichen Berghang mit einem Höhengradienten von 875 bis 950 m ü. NN. Es konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zum Genotyp der Bäume, die Höhe ü. NN, die Inklination des Standorts, sowie die Höhe und das Alter der Bäume einen signifikanten Einfluss auf das Mykobiom haben. Die genetische Differenzierung zwischen den Baumindividuen hingegen zeigte keinen signifikanten Effekt. Aufbauend auf dieser Studie untersuchten wir in Artikel III die Mykobiomzusammensetzung von insgesamt 96 Bäumen in je 2 Plots (je 16 Bäume), verteilt auf drei Standorte in Alaska über eine Entfernung von 500 Kilometern. Von jedem Baum wurden je zwei verschieden alte Nadelproben genommen (diesjährige und dreijährige Nadeln) wodurch wir insgesamt auf 192 Proben kamen. Der Hintergrund dieser Studie war herauszufinden, welchen Einfluss die Herkunft und das Alter der Fichtennadeln auf das Mykobiom haben und ob eine genetische Disposition besteht, welche in einem Zusammenhang mit der mykologischen Artengemeinschaft steht. Zusätzlich wurde das Probenahme-Design verbessert, indem Nadeln von allen vier Seiten eines Baumes (vier Himmelsrichtungen) gesammelt wurden, und Bäume im genormten Abstand zueinander beprobt wurden, um systematische Fehler zu vermeiden. Auch für diese Studie erscheint ein Einfluss der Baumgenetik auf die Artengemeinschaft der auf und in den Nadeln der Weißfichten lebenden Pilze sehr unwahrscheinlich. Im Gegensatz dazu konnte ein signifikanter Einfluss von Standort und Nadelalter auf die Artenstruktur der nadelbesiedelnden Pilzspezies festgestellt werden. Der Einfluss der phänotypischen Merkmale Baumhöhe und BHD (Brusthöhendurchmesser) stellte sich als gering heraus und erklärt lediglich <2% der Mykobiomvarianz. Mittels Ilumina-Sequenzierung wurden 10,2 Mio. Sequenzen aus der Nukleotidsequenz zwischen den rRNA-Genen (Internal transcribed spacer – ITS) der gesammelten Proben gelesen, die für die Pilze 1575 Ribotypen (operational taxonomic units – OTU) ergaben. Diese wurden mit einer Gendatenbank abgeglichen um sie mit den Sequenzen bekannter Pilzspezies zu vergleichen und diesen zuzuordnen. So wiesen 942 OTUs, >95% Ähnlichkeit zu bekannten Arten auf und konnten als diese identifiziert werden, wobei es bei Bestimmung bis zur Gattung schon 1975 und bis zur Familie bereits 2683 waren. Den deutlichsten Unterschied zur Studie aus dem Jahr 2012 machten die Pilzspezies aus der Klasse der Pucciniomycetes aus, genauer der Gattung Chrysomyxa, die zu den Rostpilzen zählt und pflanzenpathogen sind. In der Studie von Artikel II machten Pucciniomycetes nur einen geringfügigen Teil der zugeordneten DNS Sequenzen aus. In der erweiterten Studie (Probennahme 2015) representieren sie aber mehr als die Hälfte aller gefundenen Sequenzen von Basidiomycetes, welche ihrerseits mit 20,0% aller DNS Sequenzen, den zweitgrößten gefundenen Stamm neben den Ascomycetes (51,4 %) darstellen.

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Author: David WürthORCiD
Title Additional (English):Antworten von Waldbäumen auf den Klimawandel: Störungs- und Anpassungspotential- Wie schnell können langlebige Pflanzen auf den Klimawandel reagieren?
Referee:Prof. Dr. Martin Schnittler, Prof. Dr. Oliver Gailing
Advisor:Prof. Dr. Martin Schnittler
Document Type:Doctoral Thesis
Year of Completion:2019
Date of first Publication:2019/05/14
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/01/08
Release Date:2019/05/14
Tag:Climate change, Cloning, Genetic, Mycobiome, Picea glauca
GND Keyword:Klima
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 500 Naturwissenschaften