Candidate genes for stress response in silver fir (Abies alba Mill.)

Das Ziel dieser Dissertation war die Identifizierung und Analyse von Kandidatengenen f¨ur Stressreaktion in der Weißtanne (Abies alba Mill.). Diese ¨okologisch und ¨okonomisch wichtige Waldbaumart ist nat¨urlich beheimatet in bergigen Regionen Europas aber es ist wenig bekannt ¨uber ihre ¨okologische Charakterisierung. Weißtannenpopulationen wurden durch menschlichen Einfluss deutlich transformiert, was zu einer Diskrepanz zwischen dem fr¨uheren und dem heutigen Verbreitungsgebiet gef¨uhrt hat. Aktuelle Studien legen nahe, dass die Weißtanne in w¨armeren und trockeneren Klimaten ans¨assig sein kann, als sie es derzeit ist. Die Art hat jedoch in den 1970ern und 1980ern deutlich gelitten und zeigte in Deutschland Blattsch¨aden, eine Abnahme im Dickenwachstum und ¨ortliches Waldsterben. Als Grund hierf¨ur wird meist der H¨ochststand der Luftverschmutzung w¨ahrend dieses Zeitraums genannt, insbesondere von Schwefeldioxid (SO2), das offenbar die Empfindlichkeit der Weißtanne gegen¨uber Trockenstress deutlich erh¨oht. Die Kombination dieser beiden Stressoren, SO2 und Trockenperioden, hat die Weißtanne sogar in Regionen in denen Trockenstress ¨ublicherweise kein Problem ist negativ beeinflusst. Im Kontext des anthropogenen globalen Klimawandels, der sehr wahrscheinlich zu einem Ansteigen der Temperatur in Europa und zu mehr Extremereignissen, wie heftigen Trockenperioden, f¨uhren wird, stellt sich die Frage, wie die Weißtanne mit diesen Umweltver¨anderungen umgehen wird. Bedenkt man die Geschwindigkeit der vorhergesagten Ver¨anderungen und die zunehmende Fragmentierung der Landschaft, besteht die M¨oglichkeit, dass die Weißtanne diesem nicht durch Samenausbreitung entgehen kann. Als sessiler Organismus bleibt als die einzig andere Option nur Adaptation, die sich wahrscheinlich aus der stehenden genetischen Variation speisen wird. Um das Schicksal der Weißtanne, insbesondere im Kontext des globalen Klimawandels, erfolgreich abzusch¨atzen und Populationen m¨oglicherweise aufgrund solcher Vorhersagen zu managen, bedarf es der Kenntnis der genetischen Architektur im Kontext solcher bedeutender Stressoren wie Trockenperioden und Luftverschmutzung. Es gibt jedoch sehr wenige genomische Ressourcen f¨ur die Weißtanne und Koniferen im Allgemeinen. Das liegt maßgeblich an der Gr¨oße und Komplexit¨at der Genome und am langen Generationszyklus, was Koniferen zu typischen nicht-Modell Organismen macht. Aus diesem Grund sind Methoden zur Identifizierung der genetischen Basis von Stressantwort effektiv auf einen Kandidatengenansatz beschr¨ankt. Der Kandidatengenansatz beinhaltet die Identifikation von funktionellen Kandidatengenen, indem die differentielle Genexpression zwischen einer gestressten und einer Kontrollgruppe gemessen wird. Im Kontext dieser Dissertation wurde der Wassergehalt von Weißtannens¨amlingen mit einem neuartigen Terahertz-Spektroskopie-Aufbau in einem Labor ¨uberwacht. Eine Gruppe von S¨amlingen wurde regelm¨aßig gegossen, w¨ahrend eine andere Gruppe Trockenstress ausgesetzt war. Durch die kontinuierliche Messung des Wassergehalts konnten Nadeln der S¨amlingen aus beiden Gruppen zu einem Zeitpunkt geerntet werden, zu dem der Wassergehalt zwischen den Individuen einer Gruppe jeweils vergleichbar war. Eine differentielle Expressionsanalyse zwischen den Nadeln der beiden Gruppen resultierte dann in 296 Genen die als Reaktion auf Trockenstress signifikant hochoder herunter-reguliert waren. Ungef¨ahr 45% dieser Gene sind zuvor noch nicht in anderen Organismen beschrieben worden und sind potentiell spezifisch f¨ur die Weißtanne oder Koniferen im Allgemeinen. Da jedoch nur Nadeln von S¨amlingen bei einem bestimmten Trockenstressniveau analysiert wurden, sind die Ergebnisse in ihrem Umfang auf das Ausgangsmaterial und das spez-ifische Stresslevel reduziert und k¨onnen nicht direkt auf die Weißtanne oder Trockenstress allgemein ¨ubertragen werden. Weiterhin impliziert dieser Ansatz einen Kausalzusammenhang zwischen Genexpression und einem spezifischen Maß an Trockenstress. Daher ist es sehr wichtig st¨orende Faktoren vom Experiment auszuschließen. So kann der Chlorophyllgehalt der Nadeln sich beispielsweise w¨ahrend des Messzeitraumes in Folge der Trockenstressbehandlung ver¨andern. Um zu testen ob der Chlorophyllgehalt m¨oglicherweise einen Einfluss auf das Terahertz-Signal hat, wurde im Rahmen dieser Dissertation Chlorophyll aus Weißtannennadeln extrahiert und unterschiedliche Konzentrationen mittels Terahertz-Spektroskopie gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Chlorophyllgehalt keinen Einfluss auf das Terahertz-Monitoring hat. Ein anderer Aspekt des Kandidatengenansatzes beinhaltet die Variation innerhalb eines polymorphen Gens und die m¨ogliche Assoziation mit der Variation in einem ph¨anotypischen Merkmal. Da die Periode der Wachstumsdepression von Weißtannen in den 1970ern und 1980ern maßgeblich durch eine Kombination von Luftverschmutzung und Trockenperioden verursacht war, wurde im Rahmen dieser Dissertation genetische Variation, in Form von Einzelnukleotid-Polymorphismen (engl. single nucleotide polymorphisms (SNPs)) in vorausgew¨ahlten Genen, mit Ph¨anotypen assoziiert, die aus Jahresringen f¨ur individuelle B¨aume im Nationalpark Bayerischer Wald abgeleitet wurden. Diese so genannten ’Dendroph¨anotypen’ waren Maße f¨ur die Resistenz, Resilienz und Erholung in der Depressionsperiode und dem Trockenjahr 1976. Basierend auf allgemeinen linearen Modellen und Feature Selection Techniken, die auf dem maschinellen Lernalgorithmus Random Forest beruhen, konnten 15 aus insgesamt 103 polymorphen Kandidatengenen f¨ur Merkmalsvariationen identifiziert werden. Da die assoziierten Dendroph¨anotypen potentiell adaptiv relevant sind, k¨onnte die Variation in diesen Kandidatengenen die F¨ahigkeit der Stressbew¨altigung individueller B¨aume beeinflussen. Dieser Ansatz ist jedoch grunds¨atzlich beobachtender Natur und diese Art von Experiment erlaubt daher keine Ableitung von Kausalzusammenh¨angen. Die identifizierten SNPs k¨onnen die urs¨achliche Variation sein, sie k¨onnen aber auch physikalisch nah an der tats¨achlich urs¨achlichen Variation sein oder es kann sich lediglich um einen Scheinzusammenhang handeln. Weiterhin kann das Vertrauen in fortgeschrittene statistische Verfahren problematisch sein, was im Rahmen dieser Dissertation f¨ur eine auf Random Forest basierende Feature Selection Methode gezeigt werden konnte, die f¨ur genetische Assoziationsanalysen in Koniferen entwickelt wurde. Durch die Replikation dieser Studie und die Evaluierung des Algorithmus konnte die Multiplizit¨at der Ergebnisse demonstriert werden, die nicht nur die biologische Interpretation behindert, sondern auch nachgelagerte Analysen, wie Tests auf Interaktion zwischen SNPs, negativ beeinflusst. Schlussfolgernd beschreibt diese Dissertation neue Techniken der Auswahl und Analyse von Kandidatengenen f¨ur die Stressreaktion im nicht-Modell-Organismus Weißtanne und anderen Koniferenarten die der g¨angigen Methodik hinzuzuf¨ugen sind. Beide Ans¨atze sollten kombiniert werden, beispielsweise indem polymorphe Kandidatengene f¨ur Merkmalsvariation aus dem Pool von funktionellen Kandidatengenen gezogen werden um die Beteiligung der untersuchten Gene an der Variation des zu untersuchenden Merkmals sicher zu stellen. Weiterhin tragen die Ergebnisse dieser Dissertation zu den wachsenden molekularen Ressourcen f¨ur die Weißtanne bei und haben dadurch, hoffentlich, einen Anteil an der erfolgreichen Vorhersage und am Management dieser wichtigen Baumart im Kontext rasanter Umweltver¨anderungen.