Genetisches Monitoring als Instrument zur Beobachtung ... · DNA •Chromosomen •Mitochondrien •Chloroplasten Genetische System Gametenbildung Paarungssystem Pollenverbreitung

Landesbetrieb Forst Brandenburg

Landeskompetenzzentrum Forst Eberswalde

Genetisches Monitoring als Instrument zur

Beobachtung genetischer Prozesse in

Wäldern

Ralf Kätzel

Arnsberg, Waldforum 26.10.2017

Zerr-Eichenbestand im Stadtwald

Prenzlau

Flaum-Eichennaturverjüngung im

Unteren Odertal

BB-6 Grumsin

GFi Schönborn

http://www.brandenburg.de/



Was Sie erwartet:

1. Standortbestimmung: Einordnung in das forstliche Umwelt-

monitoring, Ziele und Hintergrund

2. Umsetzung: Geschichte, Parameter, Flächen

3. Ein paar Ergebnisse ….




Genetisches Monitoring?

... periodische Messung oder Beobachtung ausgewählter physikalischer,

chemischer oder biologischer Parameter zur Aufdeckung, Beschreibung

und Quantifizierung von Umweltveränderungen über die Zeit auf der

Grundlage von Vergleichsstandards bzw. Ausgangszuständen.

… periodische, stichpunktartige oder flächenweise Aufnahme

genetischer Strukturen und Charakteristika des genetischen Systems

(z.B. Populationsgröße, Blühverhalten, Sexualsystem).

(Quelle: Konzept zur Durchführung des genetischen Monitorings, BLAG, 2004)




… nicht nur bei Gehölzen ...

Genetisches Monitoring isogener Maus- und Rattenstämme (Ausschuss für

Genetik und Labortierzucht, 2006): genetischen Authentizität isogener

Versuchstierstämme, Qualitätssicherung

Bestimmung genetischer Strukturen für ein genetisches Monitoring am

Beispiel des Rothirsches (Cervus elaphus) in Mecklenburg-Vorpommern und

Brandenburg: Thomas Gehle, Sven Herzog, 2003

Genetisches Monitoring beim Wolf: Harms V, Steyer K, Frosch C, Nowak, C

(2011) Nationales Referenzzentrum für Wolfsgenetik Senckenberg: Natur,

Forschung, Museum, 141: (5/6): 174-181.

Entwicklung und Anwendung molekularer und informatorischer Werkzeuge

für das genetische Monitoring bei Wildrüben. Enders, M., Frese, L.,

Nachtigall, M.; Julius Kühn-Institut, Bundesforschungsinstitut für

Kulturpflanzen,2011




Ziele

„Erfassung der räumlichen und zeitlichen

Dynamik genetischer Systeme von Baum- und

Straucharten anhand von

Kriterien, Indikatoren und Verifikatoren“ (Konzept 2004)

Erfassung des Zustandes und der Veränderung des

genetischen Systems

Abschätzung der Wirkung von Einflussfaktoren (z.B. Klima)

Planung und Erfolgskontrolle von Maßnahmen

Informationsaustausch mit anderen Monitoringsystemen




Was heißt das?

Beobachtung und Bewertung evolutiver Prozesse:

Änderung der genetischen Zusammensetzung einer

Population über eine oder mehrere Generationen

Genetische Struktur einer Population

t 0 t n

Genet. Abstand

„Ereignisse“

Genet. Prozesse




Genetische Prozesse

Genpool

Individuum

Population Ebenen

Mutationen

Sexuelle

Rekombination

(Paarungssystem)

Zuwanderung

(Migration)

Abwanderung

Selektion/

Auslese

Genetische Drift „Flaschenhals“




Genetische Strukturen

1. Individuen

2. Populationen

... zahlenmäßige Repräsentanz von Genen und Genotypen in ...

DNA

•Chromosomen

•Mitochondrien

•Chloroplasten

Genetische

System

Gametenbildung

Paarungssystem

Pollenverbreitung

Fruktifikation

Samenverbreitung

Transkription

Translation

Mutationen

DNA-Reparatur

u.v.a.




Aspekte des Genetischen Monitorings

Genetische Struktur

Ausgangsbestand

Blüte

Umweltfaktoren =

Selektionsfaktoren?

Früchte/

Samen

Keimung

Verjüngung

Genetische Struktur

Folgebestand




Beispiele aus der Forschung

Prozess Faktor Quelle

Blütenbildung RBu: R, SDD, T (Juli x-

2, neg. korr.)

GRUBER (2003);

Parmesan & Hanley

(2015):

Pollenproduktion

Birke: Zunahme,

Verfrühung

Frei & Gassner (2008):

Int J Biometerol 52: 667-

674

Fruktifikation

Vitalität, Trockenheit Eichhorn et al.

Anderson, J.T. (2016): Plant fitness in a rapidly changing world. New Phytologist

210: 81-87.

Metaanalyse: 546 Paper, 28 Studien, 92 Pflanzenarten




2. Umsetzung 2000 Konzept zur Erhaltung forstgenetischer

Ressourcen S. 22/33 (11 Zeilen)

4.6.1997 1. Sitzung der Experten-AG „GLZM“ in

Freiburg

2004 Konzept zum genetischen Monitoring für

Waldbaumarten in der Bundesrepublik

Deutschland

www.genres.de/fgrdeu/genetisches-

monitoring/

2006-2008 Anleitung zur Durchführung des

genetischen Monitoring für

bestandesbildende Baumarten in

Deutschlands

https://blag-

fgr.genres.de//fileadmin/SITE_GENR

ES/downloads/docs/BLAG/gm-

durchfuehrung_260308_1_.pdf

2003-2005 EU-Forest Focus-Projekt, C2-Modul 4 Level 2-Flächen RBu Maurer et al., 2007

2005-2008 BLE-Projekt, VKI (5 Flächen), RBu Hölken et al., 2011

2010-2014 EUFORGEN Phase IV Aravanopoulos et al.: 2015,

BioDiv Int. 55S.

Seit 2016 GenMon-Projekt www.gen-mon.de




Genotypische Varianz Rot-Buche (EU-

Forest Focus)

--------------- Neuhäusel (RP)

------------

--------------- Zierenberg (HE)

-------------

---------------------------- Mitterfels (BY)

------------------------------------------ Beerenbusch (BB)

4,2

5,6

3,8

4,2

0

1

2

3

4

5

6

Dj

Beerenbusch

(BB)

Mitterfels

(BY)

Neuhäusel

(RP)

Zierenberg

(HE)

Forest Focus DE 2003-2004 C2-Projekt:

„Erfassung und Monitoring der genetischen

Diversität in Buchenpopulationen von Level-II-

Flächen“

Grundlage: 8 Isoenzyme-Genorte




Auswahl der Monitoringflächen

„Als Monitoringflächen sind vorrangig solche auszuwählen, für die bereits eine

hohe Datendichte insbesondere zu Einzelbäumen sowie eine genaue

Flächendokumentation vorliegt.“ (Durchführungsanleitung 2008)

Auswahlfilter:

1. Intensivmessflächen (Level II–Flächen)

2. Hoher Anteil der Zielbaumarten

3. fruktifikationsfähiges Alter

4. Naturverjüngung




Monitoringflächen

14 x Rot-Buche (Fagus sylvatica) 10 x Gem.Fichte (Picea abies)

Flächen eingerichtet 2006-2010

Flächen eingerichtet 2016-2017




Flächenplan nach Konzept

incl. 20/30 Samenbäume:

Phänologie, Kronenzustand,

Genetik

4x 20 Verjüngung: Phänologie,

Vitalität, Höhe, Genetik

250 Alt-Bäume, BHD>15 cm, eingemessen, markiert, BHD, Soz. Klasse, Genetik

zzgl. 200 Verjüngung: Genetik

Samen von 20 Samenbäumen;

zzgl. Bestandesabsaat: Genetik,

Saatgutprüfung




Untersuchungsparameter

Kriterien Parameter Umfang Zeitrahmen

Wachstum BHD, Soz. Klasse,

Höhe

250 Altbäume (alle 10 Jahre einmalig)

Vitalität

Kronenzustand 20 SB jährlich

Phänologie Blattaustrieb (SB, V)

Blüte

Fruktifikation

20/30 SB, 80

VB

wöchentlich/jährlich

1x jährlich

1x jährlich

Genetik Alt- u. Samenbäume

Saatgut (5 Zapfen, 50 Eckern)

Verjüngung

250 (incl. 20)

20 SB

(4x20 + 200)

alle 10 Jahre

alle 5 Jahre > Halbmast

alle 10 Jahre

Saatgutqualität WG, TKG,

Keimfähigkeit

Bestandes-

absaat

(jährlich)

Meteorologie Temp. (Min, Max, MW),

RF

kontinuierlich




Aufgaben: Erfassung des Zustands des genetischen Systems von Populationen

Indikatoren Verifikatoren (Untersuchungsparameter)

Genetische Variabilität Allele pro Locus (A/L), Diversität,

Klondiversität

Paarungssystem Anzahl potentieller Paarungspartner,

Anzahl effektiver Pollenspender

Migration/Ausbreitungssystem Pollenausbreitung, Familienstrukturen

Genetische Drift Veränderungen zwischen ontogenetischen Stadien

Indikatoren und Verifikatoren

Namkoong et al. (1996)




Wie weiter ?

Flächeneinrichtung

Genetische Analysen

Freilandaufnahmen

DATEN

Komplexe wiss.

Auswertung

intern + extern

Wissenschaftliche

Schlussfolgerungen

Schlussfolgerungen für die Praxis: Risikoanalyse, Herkunftswahl,

Verjüngung, Sicherung der Regenerationsfähigkeit etc.

Schnittstellen zur FUK




3. Ein paar Ergebnisse …. GM-TEi-BB: Fruktifikation

0,00

1.000,00

2.000,00

3.000,00

4.000,00

5.000,00

6.000,00

7.000,00

2001

2003

2005

2007

2009

2011

2013

2015

t/h

a

Fünfeichen

Tauern




Saatgutqualität




Anzahl heterozygoter Genorte vrs. Mortalität

Tauern

H= 0,181

Fünfeichen

H= 0,195

9 Genorte: FEST, AAT, IDH, MNR, 6-PGDH, PGI, PGM, SKDH, IDH

abgestorben

entnommen bei Durchforstung




Fazit

• Praxistaugliches Konzept in Phase 4.0

• Hoher Kraftaufwand in der Umsetzung (20 Jahre !)

• Weitere Umsetzung erfordert politischen Willen,

Akzeptanz und langfristige Finanzierung

• Enormes Auswertungspotenzial

• Beitrag zur Objektivierung von (Klima-)Risiken

(Anpassungsfähigkeit auf Populationsebene)

• Belastbare Datengrundlage zur Dokumentation der

Waldentwicklung

• Integration in das Forstliche Umweltmonitoring ?




Ihre

Aufmerksamkeit

Vielen Dank für …

Viele Köpfe seit 1997: A. Franke, J. Heyder, W. Maurer, M. Konnert,

F. Scholz, A. Janssen, K. Gebhardt, A. Dounavi, E. Hussendörfer, B.

Degen, W. Steiner, U. Tröber…




Literatur

• Konzept zum genetischen Monitoring für Waldbaumarten in der

Bundesrepublik Deutschland (Bund-Länder-Arbeitsgruppe „Forstliche

Genressourcen und Forstsaatgutrecht“, BLAG)

• Kätzel R., Maurer W.D., Konnert M. & Scholz, F. (2005): Genetisches

Monitoring in Wäldern. Forst und Holz 60.

• Konnert M., Maurer W., Degen B. & Kätzel R. (2010): Genetic monitoring in

forests – early warning and controlling system for ecosystemic changes.

iForest 4: 77-81.

• Gregorius H.R. & Degen B. (2007): Monitoring genetischer Ressourcen:

Prinzipien und Methoden. In: Begemann et al. (Hrsg.), Tagungsband

„Monitoring und Indikatoren der Agrobiodiversität“ in Königswinter 7.-8.

November 2006


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