Genetik und Dendroökologie der Rotbuche

Hintergrund und Zielsetzung

Als wichtigste heimische Laubbaumart ist die Rotbuche (Fagus sylvatica) von herausragender ökonomischer und ökologischer Bedeutung. Aufgrund ihrer Bedeutung für die Waldökosysteme in Deutschland kommt ihr bei der Erforschung der Angepasstheit und der Anpassungsfähigkeit ein besonderer Stellenwert zu.

Das Thünen-Institut, die Technische Universität Dresden und die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg untersuchen mit drei aufeinander abgestimmten Teilprojekten die Angepasstheit und Anpassungsfähigkeit der Buche in Bezug auf das wichtige Merkmal Trockenstresstoleranz und entwickeln innovative Ansätze und umfangreiche Ressourcen, um die Erforschung und Anpassung der Buche und der assoziierten Wälder an den Klimawandel zu unterstützen.

Dabei finden unterschiedliche Forschungsmethoden Anwendung – von Herkunftsforschung und Dendroökologie über populationsgenetische und genomische Analysen von Populationen und Individuen, bis hin zu biotechnologischen Ansätzen mittels In-vitro-Kultur. Das Projekt bestimmt das Ausmaß der genetisch, standörtlich und behandlungsbedingten Komponenten von Trockenstresstoleranz in naturverjüngten Beständen und untersucht die Angepasstheit und Anpassungsfähigkeit verschiedener Herkünfte aus dem gesamten Verbreitungsgebiet der Buche gegenüber Trockenstress.

Darüber hinaus wird ein Referenzdatensatz von vollständig sequenzierten Genomen von 1000 Buchen und eine Sammlung von 200 gut vermehrbaren In-vitro-Klonen erzeugt. Diese Ressourcen eröffnen völlig neue Möglichkeiten zur Erforschung anpassungsrelevanter Merkmale im Labor, auf Versuchsflächen und in natürlichen Populationen.

Vorgehensweise

Das Projekt umfasst Methoden der Dendroökologie, Herkunftsforschung, Populationsgenetik, Genomik und Biotechnologie. Zur Erfüllung ihrer Ziele stützen sich die verschiedenen Teilprojekte möglichst auf dieselben Untersuchungsflächen und Populationen.

Mit populationsgenetischen Methoden werden in Buchenpopulationen in Süddeutschland die Verwandtschaftsverhältnisse aller Bäume auf unterschiedlichen Untersuchungsflächen bestimmt. Mit Hilfe dendroökologischer Methoden wird die individuelle Trockenstresstoleranz der Bäume bestimmt. Durch den Vergleich der Trockenstresstoleranz zwischen verwandten und unverwandten Bäumen lässt sich ermitteln, wie stark die Trockenstresstoleranz genetisch und umweltbedingt gesteuert ist.

Dendroökologische Methoden werden ebenfalls verwendet um die Trockenstresstoleranz von Bäumen verschiedener Herkünfte aus ganz Europa zu bestimmen. Methoden der Herkunftsforschung werden eingesetzt, um die Trockenstresstoleranz verschiedener Herkünfte zu vergleichen. Dies ermöglicht die Selektion trockentoleranter Herkünfte und Einzelbäume im Zuge der Anpassung unserer Buchenwälder an ein trockeneres Klima.

Mithilfe von Next-Generation-Sequenzierung werden die kompletten Genome von 1000 Buchen aus 100 Herkünften sequenziert. Dieselben Bäume werden umfassend phänotypisiert. Die Korrelation von Phänotyp und Genotyp ermöglicht Rückschlüsse auf die die genetische Architektur der untersuchten Merkmale. Die gewonnenen Genome können auch für die Untersuchung erst zukünftig erfasster Merkmale herangezogen werden und bilden so die Grundlage für weitere Untersuchungen.

Mit biotechnologischen Methoden werden aus Saatgut und Knospen 200 gut In-vitro-vermehrbare Klone der Buche selektiert und etabliert. Diese stammen weitgehend von den durch andere Teilprojekte untersuchten Flächen und Populationen und stellen somit genetisch und dendroökologisch gut charakterisierte Pflanzen dar. Sie bilden hiermit die Grundlage für künftige Untersuchungen, etwa zur Reaktion auf Umweltstress oder Pathogene.