title: Adaptive genetische Struktur der Weisstanne (Abies alba MILL.) in ökologischen Grenzstandorten der mediterranen Voralpen in Frankreich.
title: Adaptive genetic structure in ecologically marginalpopulations of European Silver Fir (Abies alba MILL.) atthe south-western Mediterranean pre-Alps of France.
Creators: name: Roschanski Anna Maria
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Transkriptom , Auslese
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
microclimate
SNP
selection
candidate gene , European silver fir
SNP , transcriptomics
Weißtanne
landscape genomics
Anpassung
isolation by environment

description: Coniferous trees are of major
      economic and ecologic importance. Yet, they are genomically
      poorly studied, because their long generation times, their
      high levels of heterozygosity and their huge genomes impede
      the access to conifer genomic resources. The European silver
      fir (Abies alba MILL) is widely distributed across diverse
      habitats in mountainous areas of temperate Europe. The
      species is of high value for forestry due to its high quality
      timber and its ecosystem functions such as erosion control
      and landslide prevention. Using next-generation sequencing
      the first silver fir transcriptome was sequenced and
      annotated. The annotation protocol lead to the identification
      of 460 candidate genes that are putatively involved in
      environmental stress resistance. Additionally, the
      transcriptomes of twelve more individuals were sequenced.
      Subsequent SNP detection produced on average 24580 SNPs per
      individual. For the SNPs that lie on the annotated candidate
      genes, a KASP genotyping assay was designed that allows for
      the fast and cost efficient genotyping of many A. alba trees.
      In the Mediterranean Basin, A. alba occurs in isolated and
      comparatively small populations. Recently, strong die-off
      events were observed in these populations, likely as a result
      of severe droughts. In the course of climate change, droughts
      are predicted to increase further in frequency and severity
      endangering the persistence of Mediterranean A. alba
      populations. Particularly these populations may, however, be
      of special value for the adaptive potential of the whole
      species since they may harbor genetic resources preadapted to
      relatively xeric environments. There is an ongoing debate
      about assisted migration, i.e. the transplantation of
      Mediterranean A. alba populations to more northern population
      in order to use them as donors of drought adapted alleles. To
      elucidate the question whether the idea of assisted migration
      is practical, knowledge about the state of local adaptation,
      its molecular basis and its environmental drivers is needed.
      Here, 376 individuals from high and low elevational
      populations which are located along a 170 km eastwest
      transect across four mountains in the south-western
      Mediterranean pre-Alps of France were investigated at 267 SNP
      loci distributed across 175 candidate genes. The
      methodological framework of landscape genetics was applied.
      Results of Bayesian cluster analysis showed that the dominant
      genetic pattern coincides with an east-west
      isolation-by-distance genetic structure, likely a result of
      post-glacial recolonization movement. Fst-outlier tests
      revealed 16 SNPs under divergent selection. Significant
      associations of allele frequencies of eight SNPs and winter
      drought were detected suggesting that this variable is a
      strong driver of local adaptation. Correlations tests of
      genetic distance of a subset of outlier loci and
      environmental distance demonstrated that
      isolation-by-environment occurs along altitude. Reanalysis of
      published common garden phenotypic data using Qst-Fst
      comparisons revealed adaptive divergence of bud flush and
      growth rate at the coldest and most humid site. The thesis
      illustrates a complex pattern of genetic structure in
      ecologically marginal populations that is shaped by
      demography and natural selection. It highlights that local
      adaptation is site specific in terms of both the genes under
      selection and the environmental drivers. Hence, whether a
      population is suitable to be the subject of assisted
      migration would have to be answered individually. Since this
      is highly impractical, the thesis states that in-situ
      conservation of marginal populations is the best option to
      ensure the capacity of evolutionary change in A. alba and to
      support the species’ ability to cope with the challenges of a
      rapidly changing climate.
description: Zu der Gruppe der Koniferen
      gehören einige ökonomisch und ökologisch wichtige Forstbäume.
      Trotzdem ist diese Gruppe genomisch nur wenig untersucht.
      Gründe dafür sind die langen Generationszyklen, das hohe Maß
      an Heterozygosität sowie die großen Genome von Koniferen, die
      den Zugang zu genomischen Ressourcen erschweren. Die
      Weißtanne (Abies alba MILL) ist weit über montane Habitate
      des temperaten und mediterranen Europas verbreitet. Die Art
      hat aufgrund ihres hochwertigen Holzes und ihrer
      bestandsstabilisierenden Funktion eine hohe Bedeutung in der
      Forstwirtschaft. Mittels next-generation-sequencing wurde das
      erste Weißtannentranskriptom sequenziert und annotiert. Das
      Annotationsprotokoll führte zur Identifizierung von 460
      Kandidatengenen, denen eine Rolle in der Stressreaktion
      zukommt. Zusätzlich wurden die Transkriptome zwölf weiterer
      Tannen sequenziert und einem SNP-calling unterzogen, bei dem
      durchschnittlich 24580 SNPs pro Individuum detektiert wurden.
      Für diejenigen SNPs, die sich auf den annotierten
      Kandidatengenen befanden, wurde ein KASP
      Genotypisierungswerkzeug entworfen. Im mediterranen Becken
      kommt die Tanne in isolierten, vergleichsweise kleinen
      Populationen vor. Diese sind aktuell stark von Mortalität
      betroffen, was auf ausgeprägte Trockenperioden zurückgeführt
      wird. Im Zuge des Klimawandels wird eine noch stärkere
      Zunahme extremer Trockenheit erwartet, die die Existenz
      mediterraner Tannenpopulationen bedrohen könnte. Eben diese
      Populationen sind jedoch von besonderer Bedeutung für das
      adaptive Potential der gesamten Art, da sie schon jetzt über
      genetische Anpassungen an Trockenheit verfügen könnten. Zur
      Zeit entspannt sich eine Debatte über die Praktikabilität der
      sog. ‚assisted migration‘, d. h. über die Möglichkeit und
      Sinnhaftigkeit der Transplantation trockenadaptierter Tannen
      in nördlichere Populationen, in denen sie als Allele-Donoren
      fungieren sollen. Zur Erhellung der Debatte bedarf es
      erweiterter Kenntnisse über die tatsächliche lokale Anpassung
      mediterraner Tannen und ihrer molekularen Grundlage sowie
      über die Art der Umweltfaktoren, druch die die lokale
      Anpassung hervorgerufen wird. Mit den Methoden der
      Landschaftsgenetik wurden 376 Bäume an 267 SNP loci
      untersucht, die über 175 Kandidatengene verteilt waren. Die
      Bäume stammten von hoch und tief gelegenen Standorten, welche
      sich über vier Berge der süd-westlichen Voralpen in Frakreich
      entlang eines 170 km langen ost-west gerichteten Transekts
      erstreckten. Das Ergebnis einer Bayesischen Clusteranalyse
      zeigte, dass das übergeordnete genetische Muster einer
      isolation-by-distance Struktur folgt, welche wahrscheinlich
      von der Rekolonisationsbewegung der Art im Postglazial
      herrührt. Fst-outlier Tests förderten 16 SNPs zu Tage, die
      unter bidirektionaler Selektion stehen. Acht SNP loci waren
      signifikant mit Wintertrockenheit assoziiert.
      Korrelationstests der genetischen Distanz einiger Outlierloci
      und der Distanz von Umweltparametern ergaben, dass
      isolation-by-environment zwischen hoch- und tiefgelegenen
      Standorten auftritt. Die vergleichende Analyse von Qst und
      Fst Werten, zeigte das Auftreten von adaptiver Divergenz in
      Blattaustrieb und Wachstumsrate am kältesten und feuchtesten
      Standort. Die Arbeit beschreibt das komplexe Muster von
      Populationen an ökologischen Marginalstandorten, gleichsam
      geformt durch Demographie und Adaption. Die Arbeit betont,
      dass lokale Adaption im Bezug auf die unter Selektion
      stehenden Gene und die wirksamen Umweltfaktoren für jeden
      Standort spezifisch ist. So muss die Frage, ob eine
      Population zur Nutzung für assisted migration geeignet ist,
      für jeden Einzelfall neu beantwortet werden. Dieses ist in
      höchstem Maße unpraktikabel. Stattdessen erscheint der
      in-situ Schutz von Marginalpopulationen als die beste
      Möglichkeit die Fähigkeit der Tanne zur evolutiven
      Weiterentwicklung zu sichern und so ihr Potential sich den
      Herausforderungen des Klimawandels anzupassen zu
      stärken.