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Anthropogene Umweltveränderungen wie Klima- und Landnutzungswandel beeinflussen Arten und Ökosysteme. Einer der überzeugendsten Belege hierfür sind Verschiebungen im zeitlichen Ablauf phänologischer Ereignisse. Pflanzen beispielsweise können den Beginn, Höhepunkt und die Dauer ihres Blühzeitraumes ändern. Solche Verschiebungen des Blühzeitraumes können sich auf Bestäuber und andere interagierende Organismen auswirken. Umweltveränderungen beeinflussen außerdem die genetische Diversität von Pflanzen und können daher weitreichende Konsequenzen für deren Evolution haben.


Phenologie I – Feldbeobachtungen: Einfluss von Waldmanagement

Während die Auswirkungen des Klimawandels auf die Blütenphänologie gut dokumentiert sind, ist das Wissen über die Auswirkungen anderer globaler Veränderungsfaktoren wie Landnutzung immer noch rar. In Laubwäldern verändern forstwirtschaftliche Maßnahmen die Zusammensetzung und Struktur der Baumarten, und damit das Mikroklima und die Lichtverhältnisse, sowie deren jahreszeitlichen Muster. Daher vermuten wir, dass die Waldbewirtschaftung die Phänologie von Waldunterholzkräutern beeinflusst. Um dies zu testen, erfassen wir die Phänologie von 20 typischen früh-blühenden Waldpflanzen (siehe Abb. 1) auf den 100 Waldflächen (EPs) der Biodiversitäts-Exploratorien Hainich-Dün und Schwäbische Alb.

Abb. 1 Die 20 Waldunterwuchspflanzen die im Rahmen unserer Studie untersucht werden. Diese Auswahl beinhaltet alle Frühjahrsblüher die auf den Waldflächen in den Regionen Hainich-Dün und Schwäbische Alb häufig sind.

Phenologie II – Herbarien: Einfluss des Klimawandels

Um mögliche langfristige phänologische Veränderungen festzustellen, werden wir die Felddaten aus den Biodiversitäts-Exploratorien mit Daten von Herbarbelegen der gleichen Regionen und Arten vergleichen. Anhand solcher historischer Langzeitdaten aus Herbarien lässt sich feststellen, ob langfristige (klimabedingte) Verschiebungen des Blühzeitpunktes vorliegen.

Abb. 2 Herbar Specimen © Franziska M. Willems

Genomics I – Methodenentwicklung

DNA aus historischen Proben (ancient DNA, aDNA) ist oft stark degradiert und weist chemische Modifikationen auf, die sich von frischer DNA unterscheiden. Aufgrund dieser Veränderungen ist RAD (Restriction site Associated DNA)-Sequenzierung, die auf der Fragmentierung von DNA durch Enzymrestriktion basiert, ungeeignet für aDNA. Um DNA aus frischen und historischen Pflanzenproben vergleichen zu können, benutzen wir RAD-Fragmente als Fänger-Oligonukleotide zur Hybridisierung mit der aDNA (hyRAD-hybridization capture). Die genetischen Analysen werden für ein Subset von fünf Arten durchgeführt.

Abb. 3 Entnahme einer Blattprobe für die DNA Extraktion an einem Herbarbeleg im Herbarium Tubingense. © Patricia Lang

Genomics II – Genetische Diversität

Diese Methode werden wir dann dazu verwenden, die genetische Diversität der heutigen Pflanzen im Waldunterwuchs mit der ihrer Vorfahren aus den gleichen Regionen zu vergleichen, um festzustellen ob es langfristige Trends einer Abnahme der genetischen Diversität gibt, und die Intensivierung der forstlichen Nutzung zu einem Rückgang der genetischen Diversität geführt hat.


Doc
Hybridisierungs ddRAD-sequenzierung mit stark degradierter DNA historischer Proben für Populationsgenomik von Nicht-Modellpflanzen
Lang P. L. M., Weiß C. L., Kersten S., Latorre S. M., Nagel S., Nickel B., Meyer M., Burbano H. A. (2020): Hybridization ddRAD-sequencing for population genomics of non-model plants using highly degraded historical specimen DNA. Molecular Ecology Resources 20 (5), 1228-1247. doi: 10.1111/1755-0998.13168
Mehr Informationen:  doi.org
Doc
Lang P. L. M., Willems F. M., Scheepens J. F., Burbano H. A., Bossdorf O. (2019): Using herbaria to study global environmental change. New Phytologist 221, 110-122. doi: 10.1111/nph.15401
Mehr Informationen:  doi.org
Doc
Effects of global change on plants: tracing the footprints of climate warming and land use from herbaria to forest understories
Auswirkungen des globalen Wandels auf Pflanzen: Spuren von Klimaerwärmung und Landnutzung in Herbarien und Wäldern
Willems F. M. (2021): Effects of global change on plants: tracing the footprints of climate warming and land use from herbaria to forest understories. Dissertation, University of Tübingen
Doc
Wald-Frühjahrsblüher blühen später in intensiv bewirtschafteten Wäldern
Willems F. M., Scheepens J. F., Ammer C., Block S., Bucharova A., Schall P., Sehrt M., Bossdorf O. (2021): Spring understory herbs flower later in intensively managed forests. Ecological Applications 31 (5), e02332. doi: 10.1002/eap.2332
Mehr Informationen:  doi.org

Wissenschaftliche Mitarbeiter:innen

Prof. Dr. Oliver Bossdorf
Projektleiter
Prof. Dr. Oliver Bossdorf
Eberhard Karls Universität Tübingen
Dr. Hernán A. Burbano
Projektleiter
Dr. Hernán A. Burbano
Max Planck Institute for Developmental Biology
Dr. Patricia Lang
Mitarbeiterin
Dr. Patricia Lang
Max Planck Institute for Developmental Biology
Franziska Merle Willems
Mitarbeiterin
Franziska Merle Willems
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