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Projektdauer: 1998 - 2020

Ökologische Genetik der Arve

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Rautialp (Glarus) — ein Arvenvorkommen am nördlichen Alpenrand mit ca. 1000 Adultbäumen. Foto: S. Brodbeck (WSL)
Arvenpollen
Männliche Blüten. Der Pollen wird durch den Wind ausgebreitet. Foto: S. Brodbeck (WSL)
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Weibliche Blütenstände umgeben von reifenden 1jährigen Zapfen. Foto: F. Gugerli (WSL)
tannenhaeher
Ein Tannenhäher mit Arvensamen im pinzettenartigen Schnabel.

Foto: U. Wasem (WSL)

GenetikCH
Genetische Struktur der untersuchten Arvenvorkommen in der Schweiz. Farbanteile repräsentieren unterschiedliche genetische Gruppen gemäss STRUCTURE.

Die alpine Waldgrenze stellt einen markanten Übergang in Gebirgslandschaften dar, da sie für eine ökologische Grenze bezüglich Baumwachstum steht. In diesem Ökoton repräsentiert die Arve oder Zirbe (Pinus cembra) eine charismatische Baumart, die vorwiegend in den kontinentalen Bereichen der zentralen Europäischen Alpen wächst. Sie kommt aber auch in zerstreuten Beständen entlang des Alpenrands und in den Karpaten vor.

Die Arve weist charakteristische Merkmale auf, die sie zu einem geeigneten Untersuchungsobjekt für ökologische und evolutionäre Forschung macht. Die langlebigen Bäume breiten ihren Pollen durch Wind aus, wie es für Koniferen üblich ist. Die Samenausbreitung beruht hingegen auf dem Futtersammel-Verhalten des Tannenhähers (Nucifraga caryocatactes). Jeder Vogel legt tausende von Samenverstecken an, die jeweils einige der an fett- und proteinreichen Samen als Winternahrung enthalten. Zurückbelassene Samen können an günstigen Standorten keimen. Wenn die Sämlinge sich erfolgreich etablieren, trägt das Sammelverhalten des Vogels zum effektiven Genfluss der Arve bei.

Um Prozesse wie Genfluss und Anpassung an lokale Umweltbedingungen zu erforschen, erweisen sich molekulare Methoden als hilfreich. In verschiedenen Projekten kombinieren wir molekular-genetische und ökologische Ansätze, um die Evolutionsbiologie von P. cembra besser zu verstehen und damit zu ihrer nachhaltigen Nutzung und, wo nötig, Erhaltung beizutragen. Auf verschiedenen räumlichen Skalen – vom einzelnen Bestand bis zum gesamten Verbreitungsgebiet – beschreiben wir die genetische Struktur von P. cembra, um kleinräumigen Genfluss, Verwandtschaftsmuster und mögliche Inzucht, aber auch die postglaziale Geschichte zu beschreiben, welche im genetischen Muster heute vorkommender Arvenpopulationen ihre Spuren hinterlassen hat.

Abgeschlossene und laufende Projekte
  • Zukünftige Bäume für zukünftiges Klima? Adaptive genetische Variation in Pinus cembra als Antwort auf Umweltgradienten über das alpine Baumgrenzen-Ökoton hinweg (PiCadapt; 2014–2017; SNF)
  • Vergleich genetischer Variation an neutralen und selektiven Genorten bei Pinus cembra in den Karpaten (2012–2013; CRUS-Sciex)
  • Genetische Vielfalt an neutralen gegenüber selektiven Genorten in zentralen und peripheren Populationen von Pinus cembra (2010–2013; EC-FP6 Evoltree)
  • Genetische Struktur und Herkunft von Pinus cembra im Berner Oberland (2010–2011; Amt für Wald, Kanton Bern)
  • Historischer und rezenter Genfluss bei Arven (2006–2011; Schweiz. Nationalfonds)
  • Genetische Variabilität innerhalb und zwischen isolierten Populationen von Pinus cembra (1998–2001; EC-FP3 BAFE; ETH-CRICEPF)

Wissenschaftliche Publikationen

Mosca E, Gugerli F, Eckert AJ, Neale DB 2016. Signatures of natural selection on Pinus cembra and P. mugo along altitudinal gradients in the Alps. Tree Genetics & Genomes 12: 9, DOI: 10.1007/s11295-015-0964-9.
Neuschulz EL, Mueller T, Bollmann K, Gugerli F, Böhning-Gaese K 2015. Seed persishability determines the caching behaviour of a food-hoarding bird. Journal of Animal Ecology 84: 71–78.
Lendvay B, Höhn M, Brodbeck S, Mindrescu M, Gugerli F 2014. Genetic structure in Pinus cembra from the Carpathian Mountains inferred from nuclear and chloroplast microsatellites confirms postglacial range contraction and identifies introduced individuals. Tree Genetics & Genomes 10: 1419–1433.
Salzer K, Gugerli F 2012. Reduced fitness at early life stages in peripheral versus core populations of Swiss stone pine (Pinus cembra) is not reflected by levels of inbreeding in seed families. Alpine Botany 122: 75–85.
Salzer K, Sebastiani F, Gugerli F, Buonamici A, Vendramin GG 2009. Isolation and characterization of eight polymorphic nuclear microsatellite loci in Pinus cembra L. Molecular Ecology Resources 9: 858–861.
Gugerli F, Rüegg M, Vendramin GG 2009. Gradual decline in genetic diversity in Swiss stone pine populations (Pinus cembra) across Switzerland suggests postglacial re-colonization into the Alps from a common eastern glacial refugium. Botanica Helvetica 119: 13–22.
Höhn M, Gugerli F, Abran P, Bisztray G, Buonamici A, Cseke K, Hufnagel L, Sebastiani F, Quintela-Sabarís C, Vendramin GG 2009. Variation in the chloroplast DNA of Swiss stone pine (Pinus cembra L.) reflects contrasting post-glacial history of populations from the Carpathians and the Alps. Journal of Biogeography 36: 1798–1806.
Gugerli F, Senn J, Anzidei M, Madaghiele A, Büchler U, Sperisen C, Vendramin GG 2001. Chloroplast microsatellites and mitochondrial nad1 intron 2 sequences indicate congruent phylogeographic relationship of Swiss stone pine (Pinus cembra), Siberian stone pine (P. sibirica), and Siberian dwarf pine (P. pumila). Molecular Ecology 10: 1489–1497.

Umsetzungsartikel

Brodbeck S, Cioldi F, Gugerli F 2012. Genetische Spurensuche im Arvenwald. Wald und Holz 5/12: 31–34.
Brodbeck S, Gugerli F 2010. Die Arve – Königin der Alpen. Die Alpen 2010/06: 32–37.
Ulber M, Gugerli F, Bozic G 2004. EUFORGEN Technical Guidelines for genetic conservation and use for Swiss stone pine (Pinus cembra). International Plant Genetic Resources Institute, Rome.


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Stichworte Arve, Pinus cembra, Tannenhäher, Nucifraga caryocatactes, Alpen, Karpaten genetische Struktur, Pollenausbreitung, Samenausbreitung, Genfluss, ecological genetics, molekulare Markers, Mikrosatelliten

 

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