Dissertation/Thesis Abstract

Plasticity, Intraspecific Variability and Local Adaptation to Climatic Extreme Events of Ecotypes/Provenances of Key Plant Species
by Thiel, Daniel, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2014, 215; 10738392
Abstract (Summary)

Der Klimawandel, und vor allem Veränderungen in Auftretenswahrscheinlichkeit und Intensität von Extremereignissen, wie Dürren oder Hitzewellen, werden die Wuchsbedingungen für Pflanzen künftig stark ändern. Hochstete Ökosysteme, wie extensiv genutztes Grünland oder Wälder mit langlebigen Organismen werden besonders betroffen von diesen Veränderungen. Die Geschwindigkeit mit der sich dieser Wandel vollzieht, macht es für viele Arten schwer bis unmöglich durch Arealverschiebung oder genetische Anpassung Schritt zuhalten. Vor diesem Hintergrund muss die Land- und Forstwirtschaft Gegenmaßnahmen entwickeln, die die Funktion dieser Ökosysteme erhalten und die Erträge und die Bereitstellung von ökosystemaren Dienstleistungen sichern. Das Wissen um die Auswirkungen klimatischer Stressfaktoren auf Arten und Ökosysteme ist daher unerlässlich. Die Einschätzung solcher Auswirkungen, z.B. durch Klimahüllenmodellierung, berücksichtigt die innerartliche genetische Vielfalt und phänotypische Plastizität, die innerhalb und zwischen Populationen existiert, in der Regel nicht, was zu Fehleinschätzungen der Anpassungsfähigkeit führen kann. Diese innerartliche Variation kann jedoch ein wichtiges Werkzeug darstellen, wenn es um die Klimaanpassung von Ökosystemen in Mitteleuropa geht. Dieser Studie konzentriert sich auf Schlüsselökosysteme in Mitteleuropa. Die selektive Nutzung von Herkünften oder Ökotypen wichtiger Schlüsselarten kann eventuell dazu beitragen Ökosysteme resilienter gegenüber negativen Klimaeinflüssen zu machen, ohne dabei die oft problematische Einführung von exotischen Pflanzenarten in Kauf nehmen zu müssen. Dabei geraten besonders Herkünfte aus wärmeren und trockeneren Gegenden, mit Klimabedingungen ähnlich zu den für Mitteleuropa prognostizierten in den Fokus, da diese eher solche Bedingungen angepasst sein könnten. Es ist jedoch wichtig zu wissen, wie verschieden Herkünfte auf sich verändernde Mittelwerte und Klimaextreme reagieren, um dieses Mittel vernünftig einsetzen zu können. In der vorliegenden Arbeit wird das Konzept der Assisted Colonization vorgestellt und beschrieben welche Rolle es in Land- und Forstwirtschaft und im Naturschutz spielen könnte (Manuskript 1). Es wird dargelegt. Dass dabei vor allem Schlüsselarten im Fokus stehen sollten, da sie oftmals Habitatstrukturen und Mikroklima und damit auch Bestand und Funktion von Ökosystemen bestimmen. Die gezielte Einfuhr von angepassten Ökotypen aus Regionen in denen heute Klimabedingungen herrschen, wie sie für die Zielregionen prognostiziert werden, wird hierbei zu Diskussion gestellt. Weiterhin wurden Herkünfte ausgewählter Grünland- und Baumarten in einem Topfexperiment künstlicher Dürre und Erwärmung ausgesetzt, um deren Reaktion darauf zu messen. Die Ergebnisse zeigen, dass es lokale Anpassungen an klimatische Stressfaktoren gibt, diese jedoch artspezifisch variieren und stark von der jeweiligen Klimavariable abhängen. Unterschiede in der Dürreresistenz zwischen verschiedenen Herkünften mancher Grasarten (Manuskript 4), sowie zwischen Herkünften der Rot-Buche (Manuskript 3) konnten dabei nachgewiesen werden. Vor allem bei der Rot-Buche scheinen Herkünfte vom trockenen Rand des Verbreitungsgebietes weniger stark auf Dürre zu reagieren wie Herkünfte aus dem Zentrum des Verbreitungsgebietes. Jedoch konnten diese „Rand-Herkünfte“ unter günstigen, ausreichend wasserversorgten Bedingungen auch nicht so hohe Ertragsleistungen erzielen. Hier geht Stabilität unter Stressbedingungen anscheinend auf Kosten hoher Erträge unter günstigen Bedingungen. Herkünfte der Schwarz-Kiefer, einer generell dürreangepassten Art, die als möglicher Ersatz für gefährdete Nadelbaumarten auf Trockenstandorten in Mitteleuropa gilt, unterschieden sich nicht in ihrer Reaktion auf Trockenheit und Erwärmung (Mauskript 2), was durch einen schwachen Selektionsdruck aufgrund einer allgemeinen hohen Dürreresistent im gesamten Verbreitungsgebiet erklärt werden könnte. Die Zuwachsleistung reagierte jedoch erst im zweiten Jahr auf das Dürreereignis. Dies unterstreicht die Notwendigkeit von langfristig angelegten Klimaexperimenten um die Auswirkungen von extremen richtig beurteilen zu können. In einem weiteren Schritt, wurden die Herkünfte der genannten Arten auf ihre Frosthärte und Spätfrosttoleranz getestet, da solche Ereignisse auch in unter höheren Durchschnittstemperaturen dennoch möglich sein werden (Manuskripte 5-7). Spätfrostereignisse führten zu einem geringeren Wachstum bei den Grasarten als auch bei der Rot-Buche und Unterschiede zwischen den Herkünften in der Spätfrosttoleranz konnten aufgezeigt werden. Auch die Herkünfte der (sub-)mediterran verbreiteten Schwarz-Kiefer unterschieden sich in ihrer Frosthärte. Die Performance unter Kältestress korrelierte bei fast allen Arten mit Minimumtemperaturen in Winter oder Frühling in den Herkunftsorten der verschiedenen Provenienzen. Interessanterweise beeinflussten die „Klimaerfahrungen“ der Pflanzen, sprich die vorausgehenden Temperatur- und Dürremanipulationen, die Reaktion auf Frost, was die Komplexität des Zusammenspiels von verschiedenen Klimafaktoren und deren Auswirkung auf Arten und Ökosysteme deutlich macht. Die Unsicherheit der Klimaprojektionen und die Vielzahl sich verändernder Klimafaktoren machen die Suche nach einzelnen bestangepassten Herkünften jedoch nicht sehr erfolgversprechend. In den Wirtschaftswissenschaften beschreibt der Portfolio-Effekt die Risikominimierung durch eine Streuung der Investitionen. In dieser Arbeit, wurde in einem Modell, basierend auf den Zuwachsdaten aus oben genannten Experiment, getestet, ob eine „Portfolio-Investition“ in mehrere Herkünfte innerhalb eines Bestandes das Risiko von großen Zuwachsverlusten unter Stressbedingungen minimieren kann (Manuskript 8). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit steigender Anzahl von Herkünften die Chance steigt eine „Super-Herkunft“ im „Portfolio“ zu haben. Das bedeutet, dass die Chance auf hohe Erträge unter verschiedenen Klimabedingungen steigt mit steigender Zahl Herkünfte, das Risiko niedriger Erträge jedoch gleich bleibt. Abschließend lässt sich sagen, dass die selektive Nutzung von Herkünften oder Ökotypen durchaus ein geeignetes Mittel zur Klimaanpassung sein kann. Die Unsicherheiten der Klimaprognosen, die Vielzahl klimatischer Stressfaktoren und deren Interaktion mit anderen Umweltfaktoren, sowie die Auswirkung von Assisted Colonization auf die genetische Vielfalt innerhalb von Populationen und Arten, macht jedoch weitere Forschung notwendig.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Macroecology, Climate Change, Conservation biology
Keywords: Climate stressors
Publication Number: 10738392
ISBN: 9781392595701
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