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
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Was Sie erwartet:
1. Standortbestimmung: Einordnung in das forstliche Umwelt-
monitoring, Ziele und Hintergrund
2. Umsetzung: Geschichte, Parameter, Flächen
3. Ein paar Ergebnisse ….
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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)
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… 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
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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
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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
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Genetische Prozesse
Genpool
Individuum
Population Ebenen
Mutationen
Sexuelle
Rekombination
(Paarungssystem)
Zuwanderung
(Migration)
Abwanderung
Selektion/
Auslese
Genetische Drift „Flaschenhals“
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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.
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Aspekte des Genetischen Monitorings
Genetische Struktur
Ausgangsbestand
Blüte
Umweltfaktoren =
Selektionsfaktoren?
Früchte/
Samen
Keimung
Verjüngung
Genetische Struktur
Folgebestand
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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
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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
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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
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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
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Monitoringflächen
14 x Rot-Buche (Fagus sylvatica) 10 x Gem.Fichte (Picea abies)
Flächen eingerichtet 2006-2010
Flächen eingerichtet 2016-2017
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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
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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
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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)
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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
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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
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Saatgutqualität
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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
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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 ?
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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…
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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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