Die Fichte (Picea abies (L.) Karst.) gehört sowohl aus ökonomischer wie auch aus ökologischer Sicht zu den wichtigsten Baumarten Europas. Ihre Bestände sind nach wie vor von sogenannten neuartigen Waldschäden betroffen, auch wenn in den letzten Jahren anthropogene Schadstoffimmissionen abgenommen haben. Die Auswirkungen der Selektion in umweltbelasteten Beständen auf die genetische Zusammensetzung der Populationen wurden bislang mit Isoenzym-Genmarkern beschrieben. Die heutzutage gegebenen Möglichkeiten zur Erweiterung des genetischen Markerspektrums auf DNA-Ebene für das Kern- wie auch für das Organellengenom eröffnen neue Chancen, Anpassungsprozesse in Freilandpopulationen zu untersuchen. Aus diesem Zusammenhang ergaben sich die Zielsetzungen der Arbeit: Zunächst sollten neue Kern-DNA-Marker entwickelt und auf ihre Eignung für populationsgenetische Studien getestet werden. Der zweite Schwerpunkt lag in der Anwendung dieser Marker sowie etablierter Chloroplasten-Mikrosatelliten zur Untersuchung der Auswirkungen von unterschiedlicher Umweltstbelastung auf die genetische Struktur von Fichtenpopulationen. Klassische Isoenzym-Genmarker wurden zusätzlich als Referenzdaten herangezogen. Ausgehend von 15 Gensequenzen und unterstützt von PCR-Techniken konnten sechs neue kodominante EST-Marker etabliert werden, die bisher nicht untersuchte Bereiche des Fichtengenoms identifizieren. Die Prüfung dieser locusspezifischen Marker in der Referenzpopulation Kranzberger Forst belegen ihre gute Eignung zum Nachweis und zur Quantifizierung genetischer Variation innerhalb von Populationen. Im Vergleich zu Isoenzym-Genmarkern zeigen sie eine gleichmäßigere Allelverteilung und lassen damit ein hohes Maß an genetischer Diversität und Heterozygotie erfassen. Ergänzende Überprüfungen der Rekombination erbrachten keine Hinweise auf Kopplungen zwischen den Loci der neuen Marker. Für die ökologisch-genetischen Studien wurden Fichtenpopulationen aus drei verschiedenen Stressszenarien herangezogen. Hauptstressoren waren Schwermetalle und SO2 an einem Standort in der slowakischen Spiš Region, SO2 in einer Mischklonplantage im sächsischen Erzgebirge und Streusalz im bayerischen Mönichswald bei Gunzenhausen. An jedem Standort wurden in zwei Versuchsflächen jeweils die Individuen entgegengesetzter Merkmalsausprägungen bezüglich ihrer Sensitivität gegenüber den einwirkenden Schadstoffen (sensitiv vs. tolerant) bestimmt. Die genetische Struktur sensitiver und toleranter Fichtenkollektive wurden anhand von acht DNA-Markern und 19 Isoenzym-Genloci für das Kerngenom sowie mit Hilfe von drei Mikrosatelliten für das Chloroplastengenom ermittelt. Schadstofftolerante Fichten weisen im Vergleich zu sensiblen eine geringere genetische Variation auf. Dies betrifft alle Mittelwerte der auf Kern-Markern beruhenden Variationsmaße. Darüber hinaus wurden die DNA-Loci einzeln ausgewertet. Dabei war zu erkennen, dass die Marker in unterschiedlicher Weise vom Selektionsdruck erfasst werden. Während einige Marker unter allen verschiedenen Stressbedingungen gleichermaßen betroffen sind, zeigen andere nur unter spezifischen Umweltbedingungen Unterschiede zwischen sensitiven und toleranten Kollektiven. Insgesamt konnten an keinem der Isoenzymgenloci aber an vier DNA-Markern statistisch signifikante Unterschiede in der Allel- und/oder Genotypenhäufigkeit zwischen Kollektiven nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse verdeutlichen den hohen Informationsgehalt der neu entwickelten DNA-Markern. Deutliche Häufigkeitsverschiebungen zwischen sensitiven und toleranten Fichtenkollektiven traten ebenfalls bei den Haplotypen des Chloroplastengenoms auf. Diese drücken sich auch in Diversitätsunterschieden aus, die an allen drei Stressszenarien statistisch abgesichert werden konnten. Die Ergebnisse sind als Hinweis eines durch Umweltstress ausgelösten Selektionsdruckes auf das paternal vererbte Chloroplastengenom zu interpretieren. Weiterhin wurden zwei Fichtenpopulationen verschiedener Höhenlagen (800m vs. 1800m ü. NN), also klimatisch stark differierendem natürlichen Umweltstress entstammend, untersucht. Im Gegensatz zu den Untersuchungen mit den mit anthropogenen Schadstoffen belasteten Flächen konnten in dieser Pilotstudie weder mit Kern-DNA noch mit Chloroplasten-Markern statistisch signifikante Unterschiede zwischen Populationen festgestellt werden. Die Gesamtheit der genetischen Erhebungen an Fichtenpopulationen zeigt deutlich, daß der Forstgenetik mit den in der Arbeit neu entwickelten DNA-Markern vielversprechende molekulare Werkzeuge zur Verfügung stehen.     «

Die Fichte (Picea abies (L.) Karst.) gehört sowohl aus ökonomischer wie auch aus ökologischer Sicht zu den wichtigsten Baumarten Europas. Ihre Bestände sind nach wie vor von sogenannten neuartigen Waldschäden betroffen, auch wenn in den letzten Jahren anthropogene Schadstoffimmissionen abgenommen haben. Die Auswirkungen der Selektion in umweltbelasteten Beständen auf die genetische Zusammensetzung der Populationen wurden bislang mit Isoenzym-Genmarkern beschrieben. Die heutzutage gegebenen Mögli...     »

Both, from an economical and ecological perspective, Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) is one of Europe’s most important tree species. Forest stands are still being affected by the so-called novel forest die back, even though for the last years anthropogenetic pollutant emissions have been reduced. So far, the effects of selection in such polluted populations on the genetic composition of the populations have been described by isoenzyme gene markers. The possibilities of extending the range of gene markers available today to the DNA level for nuclear- as well as organelle genomes provide new prospects for investigating adaptation processes in field populations. The objectives of the present study were based on the following context: First, new nuclear DNA markers had to be developed and tested for their suitability in population genetic studies. The second emphasis was put on the application of these markers in addition to established chloroplast microsatellites to investigate the effects of different environmental pollutions on the genetic structure of Norway spruce populations. As reference isoenzyme gene markers were used. Starting from 15 gene sequences, and based on PCR-techniques, six new codominant EST-markers could be established, identifying areas of the spruce genome which have not been investigated so far. The analysis of these locus-specific markers in a reference population indicated their suitability for proving and quantifying genetic variation in populations. Compared to isoenzyme gene markers, they specify a more even allele distribution and enable the detection of a high degree of genetic diversity and heterozygosity. Analysis of recombination indicated no linkage among loci of the new markers. Spruce populations from three different stress scenarios were taken for ecological genetic studies. The main stressors were heavy metals and SO2 at a site close to Spiš (Slovakia), SO2 in a clone plantation in the Saxonian Ore mountains and salt in the Mönichswald near Gunzenhausen (Bavaria). At each location, the individuals with opposite characteristics with regards to the sensitivity towards the affecting harmful substance, were identified in pairs and grouped (sensitive vs. tolerant). The genetic structure of sensitive and tolerant spruce collectives was studied by eight DNA markers and 19 isoenzyme gene loci for the nuclear genome as well as by three microsatellites for the chloroplast genome. When compared to sensitive collectives, pollutant-tolerant individuals showed a lower genetic variation. This was indicated by all mean values of the variation estimators based on nuclear markers. The evaluation of single DNA loci revealed the fact that markers are indeed affected by pressure selection in different ways. While some markers are equally affected by different stress scenarios others showed differences between sensitive and tolerant collectives only under specific environmental conditions. In all, statistically significant differences in allele- and/or genotype frequencies between collectives could be verified in none of the isoenzyme gene loci, but noteworthy, in four of the DNA markers. These results reflect the high potential of the newly developed DNA markers. In addition, clear frequency shifts between sensitive and tolerant collectives of Norway spruce were indicated regarding the haplotypes of the chloroplast genome. These deviations are also expressed in terms of differences in diversity which could be statistically verified in all three stress scenarios. The results are interpreted as an indication for selection pressure triggered by environmental stress on the paternally inherited chloroplast genome. Furthermore, two spruce populations from different altitudes, (800m vs. 1800m above sea level) which represent notorious different natural environments were investigated. In contrast to the studies of anthropogen stress conditions, statistically significant differences among populations could neither be identified with nuclear DNA, nor could with chloroplast markers. This genetic survey of spruce populations clearly proves that the DNA markers developed within this study are promising molecular tools for the field of forest genetics.     «

Both, from an economical and ecological perspective, Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) is one of Europe’s most important tree species. Forest stands are still being affected by the so-called novel forest die back, even though for the last years anthropogenetic pollutant emissions have been reduced. So far, the effects of selection in such polluted populations on the genetic composition of the populations have been described by isoenzyme gene markers. The possibilities of extending the rang...     »