Genomische Diversität für Klimaresilienz – Biodiversitäts-Exploratorien

Hintergrund

Der Anteil der Rotbuche in deutschen Waldbeständen wurde im letzten Jahrzehnt aktiv erhöht, mit dem Ziel, die Wälder widerstandsfähiger gegen sich verändernde klimatische Bedingungen zu machen. Die jüngsten heißen und trockenen Sommer haben jedoch gezeigt, dass auch Buchenwälder mit älteren Bäumen (>60 Jahre) anfällig für Trockenstress sind, was zu ausgedünnten Kronen, starker Blattverfärbung und einem Rückgang des Stammdickenwachstums führt. Infolgedessen kommen Zweifel auf, ob die Rotbuche noch immer eine geeignete Baumart für die deutschen Wälder der Zukunft ist. Es wurden vielfältige Symptome berichtet, darunter Phytophthora-Infektionen und die Buchen-Komplex-Krankheit, die meist Infektionen des Hauptstamms beschreiben, oder der oben beschriebene Vitalitätsverlust, der sich zunächst in der Baumkrone manifestiert. Was bislang fehlt, ist eine kombinierte Bewertung dieser Symptome in populationsweiten Untersuchungen, sowie Studien, die diese Symptome in einem evolutionären Kontext untersuchen.

Ziele

Unser Ziel ist es, eine Grundlage für ein besseres Verständnis der Verbreitung von Buchenkrankheitssymptomen in deutschen Wäldern und ihrer Wechselbeziehungen zu schaffen und die Diskussion über die Zukunft der Buche als wichtiger Waldbaumart in Deutschland um eine evolutionäre Perspektive zu erweitern.

Hypothesen

H1 | Die Anfälligkeit von Fagus sylvatica für die Buchen-Komplex-Krankheit wird durch genetische Varianten der Buche beeinflusst.
H2 | Die Variabilität der Symptome des Vitalitätsverlusts bei Fagus sylvatica spiegelt zugrunde liegende genetische Unterschiede in der Reaktion auf Trockenheit wider.
H3 | Bäume, die einen Vitalitätsverlust aufweisen, haben eine höhere Wahrscheinlichkeit für eine Sekundärinfektion, die teilweise durch Umweltbedingungen vermittelt wird.
H4 | Das Kronensterben bei Fagus sylvatica hat zwischen 2008–2010 und 2024 erheblich zugenommen, wobei die stärkste Ausprägung in den trockensten Regionen zu verzeichnen ist.

Methoden

Im Rahmen von TREEvolution II führen wir eine kombinierte Bewertung des Gesundheitszustands von Stamm und Krone bei 1500 Buchen durch und setzen die Krankheitssymptome in Beziehung zum Genotyp und zu Umweltfaktoren. Zunächst werden wir den Gesundheitszustand der Baumstämme und Baumkronen im blattlosen Zustand beurteilen und diese Bewertung mit einer kontrollierten Analyse des Rindenmikrobioms gesunder und erkrankter Bäume mittels ITS- und 16S-Amplikonsequenzierung kombinieren. Darauf folgt eine Bewertung der Baumkronen im Spätsommer, sowohl durch Klassifizierung der Kronen vom Boden aus als auch durch Bildgebung der Kronen mittels eines mit LiDAR bestückten UAV, um die Kronenausdünnung durch die Analyse der Laserreflexionsverhältnisse aus verschiedenen Kronenschichten zu bewerten.

Darüber hinaus werden wir einen UAV-basierten Multispektralsensor einsetzen, um Indizes wie NDVI, GNDVI und NDRE zu messen und die an einzelnen Blättern gemessenen Werte auf die Baumkrone zu extrapolieren. Anschließend werden wir untersuchen, inwieweit die erhaltenen Phänotypen durch genomische Variation zwischen den Bäumen unter Verwendung genomweiter Assoziationsmethoden (GWAs) oder durch die Umweltvariation zwischen den Versuchsflächen (Eps) in der Schorfheide-Chorin, im Hainich und auf der Schwäbischen Alb erklärt werden können.

Ergebnisse

In der ersten Phase des Projekts TREEvolution haben wir die Genome ausgewachsener Bäume mit denen ihrer entsprechenden Sämlinge in allen drei Biodiversitäts-Exploratorien verglichen. Wir stellten fest, dass sich die Allelfrequenzen in der Population der Sämlinge an bestimmten Loci im Vergleich zur Population der ausgewachsenen Bäume verschoben hatten, und zwar in einem Muster, das mit einem selektiven Sweep vergleichbar ist, was auf eine starke Selektion in den allerfrühesten Lebensstadien hindeutet. Die mutmaßlich selektierten Loci waren reich an GO-Termen, die auf die Beteiligung von Stressreaktionswegen bei Pflanzen hinweisen. Als wir zudem die Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) mithilfe von Genom-Umwelt-Assoziationen mit Umweltvariablen korrelierten, waren diese Assoziationen in der Sämlingpopulation stärker, was auf eine stärkere Umweltfilterung bei Sämlingen im Vergleich zu ihren Eltern hinweist. Insgesamt deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass unsere Buchenwälder das Potenzial haben, auf den durch die sich ändernden klimatischen Bedingungen ausgeübten Selektionsdruck zu reagieren.