Anpassungen krautiger Unterwuchsarten an das Waldmanagement

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. J. F. Niek Scheepens

Charlotte Møller

(Uni Frankfurt)

Prof. Dr. Pieter De Frenne

(Universität Gent)

Hintergrund

Als Voraussetzung dafür, wie sich eine Art unter natürlichen Selektionsbedingungen ihrer Umgebung anpasst, ist die vererbbare phänotypische Variation eine wichtige Ebene der Biodiversität. Im HerbAdapt-Projekt untersuchen wir Variationen funktioneller Merkmale von krautigen Arten des Unterwuchses temperierter Wälder und setzen diese Merkmale in Bezug zu Waldmanagement und Mikroklima.
In Wäldern bilden krautige Arten des Unterwuchses den größten Anteil der Pflanzenarten. Nahezu alle temperierten Wälder Europas werden zumindest in einem gewissen Ausmaß in der einen oder anderen Form bewirtschaftet. Art und Intensität der Bewirtschaftung bestimmen den Grad der Störung eines Ökosystems und beeinflussen somit dessen Ökosystemeigenschaften, das Mikroklima sowie Licht- und Bodenbedingungen, Faktoren also, die alle einen Anpassungsdruck auf die Kräuter des Waldunterwuchses ausbilden können. Daher erwarten wir Variationen funktioneller Merkmale (z.B. der Blütenphänologie) sowie lokale Anpassungen entlang eines Gradienten der Intensität des Waldmanagements, der als silvicultural management intensity (SMI) ausgedrückt wird. Ebenso sind vererbbare phänotypische Variationen von Pflanzenreaktionen auf Trockenheit und Schatten – zwei sehr wichtige Faktoren des Klimawandels in Waldökosystemen – zu erwarten.

Um diese Hypothesen zu testen, führen wir sowohl common garden Experimente als auch reziproke Transplantationsexperimente mit verbreiteten Arten der Krautschicht von Wäldern durch. 

Hypothesen und Methoden

In unserem Projekt nutzen wir sechs Fokusarten aus dem Unterwuchs von Wäldern: Anemone nemorosa, Galium odoratum, Viola reichenbachiana, Oxalis acetosella, Milium effusum und Brachypodium sylvaticum. Diese Artauswahl erfolgte basierend auf dem verbreiteten Vorkommen in den Wald-Experimentalflächen (EPs), den unterschiedlichen Samenausbreitungsraten und den unterschiedlichen Fähigkeiten zur vegetativen Ausbreitung. Im Sommer des Jahres 2020 wurden in allen 150 Wald-Experimentalflächen Pflanzen für die folgenden Experimente gesammelt.

WP1: Common garden Experiment zum Test von vererbbaren phänotypischen Variationen.
Wir erwarten, dass die Werte ökologisch-relevanter phänotypischen Merkmale in Populationen krautiger Arten der Wälder mit dem SMI korrelieren, mit anderen variablen Waldstrukturen sowie auch mit Variablen des Mikroklimas. Diese Erwartungen testen wir an vererbbaren phänotypischen Variationen in common garden Experimenten in Schattierhäusern in Frankfurt. Hierbei werden alle sechs Arten des Waldunterwuchses aus allen 150 Wald-Experimentalflächen genutzt.

WP2: Reziproke Transplantationsexperimente zum Test lokaler Anpassung an die Waldbewirtschaftung.
Wir erwarten, dass (i) Populationen krautiger Arten aus dem Waldunterwuchs lokale Anpassungen an die Waldbewirtschaftung zeigen und dass (ii) die lokale Anpassung bei Pflanzen stärker ist, die sowohl eine höhere Kolonisationsrate als auch einen höheren Genfluss haben. Um diese Vermutungen auf die Probe zu stellen, werden wir ein reziprokes Transplantationsexperiment mit A. nemorosa und M. effusum durchführen. Pro Exploratorium wurden entlang des SMI Gradienten neun Wald-Experimentalflächen für die Pflanzenentnahme ausgewählt. Später werden Rameten nicht nur in ihre Herkunftsflächen zurücktransplantiert, sondern auch in jeweils zwei weitere Flächen entlang des SMI Gradienten, wobei wir erwarten, dass sie in der Experimentalfläche ihrer Herkunft am besten gedeihen.

WP3: Auf den globalen Wandel vorbereitet: Ein common garden Experiment zum Test der genetischen Variation in Reaktionen auf Trockenheits- und Schattenbehandlung.
Waldsterben in Reaktion auf Trockenheit ist ein zunehmend verbreitetes Phänomen; bei zunehmend wärmeren Bedingungen geht damit auch eine jährlich früher stattfindende Blattentfaltung einher, was die Frühjahrsblüher im Waldunterwuchs negativ beeinflusst. Wir erwarten, dass Populationen krautiger Arten aus dem Unterwuchs von Plenterwäldern, die eine höhere Umweltheterogenität besitzen, im Vergleich zu Populationen aus Altersklassenwäldern eine höhere Toleranz in Reaktion auf Trockenheit und Schatten aufweisen. Um dies zu testen, werden wir in Folientunneln ein common garden Experiment mit Trockenheits- und Schattenbehandlung vornehmen. Die daraus gewonnenen Daten zur vererbbaren Variation der plastischen Reaktion sind für die Vorhersage der zukünftigen Fitness von Populationen im Angesicht des Klimawandels nutzbar. Die für diesen Versuch eingesetzten Individuen von A. nemorosa, M. effusum und G. odoratum entstammen denselben Herkunftsflächen wie diejenigen von WP2.

Für alle WPs werden wir sowohl unterschiedliche Wachstumsmerkmale als auch funktionale Merkmale messen. Hierzu gehören z.B. Keimungszeitpunkt, Blühbeginn, Anzahl der Blätter und Blüten, Pflanzenhöhe, klonales Wachstum, specific leaf area (SLA), Samengröße in Relation zur Samenanzahl. Am Ende aller Experimente werden wir zusätzlich auch noch die ober- und unterirdische Biomasse ernten.

 

Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. J. F. Niek Scheepens: EvoPlast

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