Projekt
GenMon - Genetische Systeme von Waldbäumen im zeitlichen und räumlichen Wandel

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Laufzeit

13. Juni 2016 - 31. März 2020

Förderung

Das Verbundprojekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) im Rahmen des Waldklimafonds über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)

Wozu ein genetisches Monitoring

Genetische Vielfalt ist eine wesentliche Grundlage von Waldbaumpopulationen, sich aus eigener Kraft an verändernde Umweltbedingungen anzupassen.
Sie ist damit das Fundament für die langfristige Stabilität und Produktivität von Waldbeständen.

Ansteigende Jahresmitteltemperaturen können zu einer verlängerten Vegetationsperiode führen. Mit dem Klimawandel häufen sich zudem extreme Wetterereignisse wie Stürme, Starkniederschläge, Nassschnee, Dürren oder Spätfröste. Diese Störereignisse beeinflussen das Austriebsgeschehen sowie das Blüh- und Fruktifikationsverhalten der Wälder. Andauernde, durch Spätfrost induzierte Blühausfälle führen zu einer geringeren oder gänzlich fehlenden Samenausreifung. Diese Selektionseffekte können zu einer genetischen Verarmung bei den Nachkommenschaften führen. Umgekehrt kann eine Zunahme sommerlicher Trockenheit zu einer häufigeren Blüh- und Samenausbildung in den Beständen führen, die wiederum mit Zuwachs- und Vitalitätseinbußen bei den fruktifizierenden Bäumen einhergehen können.

Optimal ist ein fortwährendes und intaktes Blüh- und Fruktifikationsgeschehen, das mit einer vitalen, zahlreichen und konkurrenzfähigen natürlichen Verjüngung einhergeht.
Mit dem forstgenetischen Monitoring wird die physiologische Reaktionsfähigkeit von Einzelbäumen und Populationen anhand der Verteilung der Genotypen analysiert.

Zuerst wird der gegenwärtige Zustand des genetischen Systems erfasst. In regelmäßigen Abständen werden die zeitlichen und räumlichen Veränderungen festgestellt. Das genetische System wird durch Prozesse wie Drift, Migration, Selektion sowie das Paarungssystem beeinflusst.
Über ausgewählte Indikatoren (Prüfgrößen, die den Zustand und die Funktionsfähigkeit dieser Systeme beschreiben) und Verifikatoren (über das genetische Monitoring erhobene Feststellungsgrößen) werden die Funktionsweisen und Regulationsmechanismen überprüft.
Genetisches Monitoring kann damit die über den Genotyp beeinflusste physiologische Reaktionsfähigkeit der Bestände sichtbar machen und somit als ein Frühwarnsystem im Klimawandel verstanden werden.

Beschreibung des Zustands und der Entwicklung genetischer Systeme von Waldbaumpopulationen anhand von Prüfgrößen (Indikatoren) und Festellungsgrößen (Verifikatoren)
Indikatoren (Prüfgrößen)Verifikatoren (Feststellungsgrößen)
Genetische VielfaltAllelhäufigkeiten; genetische Diversität, Anzahl potentieller Eltern
Änderungen in der genetischen StrukturGenetischer Abstand zwischen Kohorten, Phänotypische Unterschiede
Änderungen im PaarungssystemSexualsystem, Fremdbefruchtungsrate, Anzahl effektiver Pollenspender
Ausbreitung durch Genfluss (Pollen) und Migration (Samen)Isolierung, Pollen- und Samenverteilung, Familienstrukturen

Wie funktioniert forstgenetisches Monitoring in der Praxis?

Mit dem Verbundprojekt wurde erstmalig ein deutschlandweites genetisches Monitoringnetz für die beiden forstlichen Hauptbaumarten Rotbuche (Fagus sylvatica - FSY) und Gemeine Fichte (Picea abies - PAB) aufgebaut.

Die Fichte ist aufgrund ihrer hohen Klimasensibilität eine wichtige Indikatorbaumart für die selektive Wirkung von Witterungsereignissen auf das genetische System. Auch die unter mitteleuropäischen Bedingungen besonders gut angepassten Buchenbestände wurden durch Dürreperioden der Jahre 2018 und 2019 in Verbindung mit vielerorts beobachteten Vitalitätsschwächen auf die Probe gestellt.

Um solche Entwicklungen beobachten und bewerten zu können, wurden deutschlandweit 14 Buchen- und 10 Fichtenflächen, nach einem einheitlichen Versuchsflächenkonzept ausgewählt, eingerichtet, markiert und beprobt. Bei der Auswahl der Bestände wurde insbesondere auf eine breite standörtliche und höhenzonale Verteilung geachtet. Die Bestände liegen in Wirtschaftswäldern, Naturwaldreservaten und Nationalparks.
Deutschlandkarte mit hell- und dunkelgrünen Punkten die die Monitoringflächen bezeichnenZoombild vorhanden

Verteilung der Monitoringflächen

Monitoringflächen für Buche und Fichte in Deutschland

Auf jeder Monitoringfläche wurde ein genetischer Fingerabdruck an mindestens 250 Altbäumen und 400 Verjüngungspflanzen gewonnen. Außerdem wurde an 20 Samenbäumen das Saatgut genetisch analysiert.

Für die genetischen Analysen wurden moderne, neutrale und hochvariable Kernmikrosatteliten-Genmarker eingesetzt. Für jeden Bestand wurden populationsgenetische Parameter wie zum Beispiel die genetische Vielfalt und Diversität oder die Allelverteilungen berechnet.

Die qualitativen Eigenschaften der Absaaten in einem guten Samenjahr wurden mittels Saatgutprüfung erhoben. Darüber hinaus wurden über einen Zeitraum von drei Jahren das Blühverhalten, der Austriebsverlauf, das Ausmaß der Fruktifikation sowie die Vitalität an mindestens 20 fixen Altbäumen bonitiert.
Buchenstämme mit gelben Zahlen und gelben und roten Markierungsbändern

Monitoringfläche Buche

Fichtenstämme mit gelben Zahlen am Stamm

Monitoringfläche Fichte

Waldfläche mit unterschiedlich weit ausgetriebenen Buchen

Austriebsunterschiede Buche

üppige Blüte an einer Fichte mit weiblichen und männlichen Blütenständen

Fichtenblüte

Eine Person steht mit einem Pinsel und Farbe vor einem Baumstamm und malt gelbe Zahlen auf den Stamm

Markierungsarbeiten

Zwei Personen nehmen mit Hilfe einer Bohrmaschine Spanproben von einem Baumstamm

Probenahme

Welche Bedeutung hat genetisches Monitoring für die Praxis?

Intakte genetische Systeme sind die Voraussetzung für den Erhalt der genetischen Vielfalt und damit für eine erfolgreiche Anpassung von Waldbaumpopulationen an sich ändernde Umweltbedingungen.

Die eingesetzten neutralen Mikrosatelliten-DNA-Marker gewährleisten eine permanente Überwachung von Mechanismen, die der Weitergabe und Erzeugung genetischer Information dienen. Damit liefern sie auch Hinweise über negative Effekte wie zum Beispiel den Verlust genetischer Vielfalt durch Veränderungen in der Populationsstruktur oder der Paarungs-, Reproduktions- und Ausbreitungssysteme. Eine Identifizierung dieser Effekte kann dazu beitragen, diesen negativen Auswirkungen durch waldbauliches Handeln gegenzusteuern.

Bei der Buche ließen sich bei den jährlichen Austriebsbonituren in zahlreichen Beständen extreme Früh- und Spättreiber nachweisen. Das genetische Material dieser Individuen wurde für die Konstruktion neuer adaptiver Genmarker eingesetzt. Das sind Marker, die das Merkmal „Austriebstermin“ unter Anwendung modernster Technologien (z.B. Next Generation Sequencing „NGS“) an Abschnitten der DNA sichtbar machen sollen.

Die Entwicklung genetischer Marker und ihre Erprobung im Hinblick auf eine Korrelation mit adaptiven phänotypischen Merkmalen tragen wesentlich zur Beurteilung der klimatischen Anpassungsfähigkeit von Waldbeständen bei.
Zukünftig kann dies eine große Bedeutung bei der Zulassung von Erntebeständen, der Einschätzung der Anbaueignung sowie bei der Anlage von Praxisanbauversuchen mit alternativen Herkünften haben.

Projektkonsortium

Das Verbundprojekt umfasst 10 Teilprojekte. Das AWG ist Projektkoordinator.

Konsortium in alphabetischer Reihenfolge:

  • Bayerisches Amt für Waldgenetik
  • Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft Rheinland-Pfalz
  • Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Freiburg
  • ISOGEN
  • Landesforst Mecklenburg-Vorpommern
  • Landeskompetenzzentrum Eberswalde
  • Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt
  • Staatsbetrieb Sachsenforst, Kompetenzzentrum Wald und Forstwirtschaft
  • Thünen-Institut für Forstgenetik und Forstpflanzenzüchtung
  • Thüringen Forst, FFK Gotha

Weitere Informationen zum Projekt GenMon