Schutz intraspezifischer Diversifizierung in wärmerem Klima

Südeuropäische Gebirge beherbergen eine bemerkenswerte Pflanzenvielfalt. So sind in den Pyrenäen, dem wichtigsten Gebirge Südwesteuropas, mehr als 4300 Pflanzenarten beheimatet, von denen c. 300 endemisch sind. Das Höher-Wandern von alpinen Pflanzen als Folge der Temperaturerhöhung durch den Klimawandel hat die dramatischsten Folgen für relativ niedrige Gebirge wie eben die Pyrenäen. Lange Zeit waren Naturschutzbemühungen auf Ökosysteme oder Arten ausgerichtet, in den letzten Jahren wurde ein neuer Fokus auf kryptische intraspezifische Diversität auf der Ebene von Genen gelegt. Es ist äußerst wichtig, die Erhaltungsstrategien auf Gebiete zu konzentrieren, die nicht nur hohe inter- und intraspezifische Diversität und Endemismus aufweisen, sondern auch ein langfristiges Überleben der Arten ermöglichen, indem sie die Möglichkeit einer Nischenverfolgung über eine Wanderung nach oben, hin zu den Gipfelregionen, bieten. Zu diesem Zweck werden wir molekulare Daten aus der nächsten Generation der Sequenzierungstechnik "Restriktionsstellen-assoziierte DNA- Sequenzierung" (restriction site associated DNA sequencing), Daten zum Artenreichtum sowie retrospektive und prospektive Verbreitungsmodelle von Arten und intraspezifischen Linien miteinander verschneiden. Unsere Ziele sind 1) die Identifizierung von Eiszeit-Refugien für in den Pyrenäen endemische alpine Pflanzen, 2) Identifizierung von Gebieten mit hohem phylogenetischem Endemismus für in den Pyrenäen endemische alpine Pflanzen und Vergleiche mit der geografischen Verteilung des Artenreichtums alpiner Arten, und 3) Modellierung der zukünftigen Verbreitung von alpinen Lebensräumen und Identifizierung von Gebieten mit hoher Stabilität der klimatischen Eignung unter verschiedenen Szenarien des Klimawandels. Als Ziel werden Schwerpunktgebiete für den Schutz alpiner Pflanzen definiert, in denen Diversitäts- und Endemismusindikatoren sowie die zukünftige Stabilität der klimatischen Eignung maximal hoch sind. Wir werden die folgenden Hypothesen prüfen: (1) Glaziale Refugien für endemische alpine Pflanzen in den Pyrenäen finden sich an ihren östlichen und westlichen Rändern, den südlichen Vorpyrenäen und nicht-vergletscherten Gebieten entlang des Hauptkammes. (2) Pyrenäische Endemiten zeigen eine geographisch gegliederte Verteilung der intraspezifischen Linien. Gebiete mit hohem phylogenetischem Endemismus überschneiden sich mit glazialen Refugien, jedoch nicht notwendigerweise mit Gebieten, die einen hohen Reichtum an alpinen Arten aufweisen. (3) In den zentralen Pyrenäen, in denen die Gipfel die größte Höhe erreichen, sind Gebiete mit zukünftiger Stabilität der Klimatauglichkeit zu finden, die eine zukünftige Nischenverfolgung ermöglichen. Die vorgeschlagene Forschung wäre die erste vergleichende intraspezifische phylogeographische Untersuchung alpiner Pflanzen in den Pyrenäen mit dem zusätzlichen Nutzen einer direkten Anwendung der Ergebnisse auf die Priorisierung von Schutzgebieten. Der hier vorgeschlagene Ansatz stellt eine neuartige, synthetische Methode dar, um den Schutz von Gebirgspflanzen in einem Klimaänderungsszenario in einem regionalen Kontext zu ermöglichen.

Alpine Pflanzen sind durch den Klimawandel besonders bedroht. Neben dem Erhalt des Artenreichtums ist auch die innerartliche genetische Vielfalt ein zentrales Ziel des Naturschutzes. Im Rahmen dieses Projektes wurden Gebiete mit besonders hoher genetischer Vielfalt ausfindig gemacht, in welchen die alpine Biodiversität auf verschiedenen Ebenen erhalten werden kann. In den Pyrenäen, dem wichtigsten Gebirge Südwesteuropas, wurden hierfür neun endemische Pflanzenarten ausgewählt, an denen die Verteilung der intraspezifischen Diversität und deren voraussichtliche Reaktion auf ein verändertes Klima untersucht werden. Zu diesem Zweck wurden von 903 Proben von 159 Standorten in den Pyrenäen Tausende von kurzen DNA-Fragmenten mit der RADseq-Methode sequenziert und analysiert. Zunächst wurden die wichtigsten genetischen Gruppen innerhalb jeder Art identifiziert, deren Verwandtschaftsverhältnisse ermittelt und die Populationsgröße über die letzten Jahrtausende geschätzt. Anschließend wurde die geografische Verteilung der untersuchten Arten unter vergangenen (zum Zeitpunkt des letzten glazialen Maximums, LGM, vor 20.000 Jahren), gegenwärtigen und zukünftigen Bedingungen (2080, zwei verschiedene Szenarien für die Emissionsrate) modelliert. Durch die Kombination beider Datentypen untersuchten wir zunächst die Herkunft der genetischen Gruppen und ihre Refugialgebiete während der Vergletscherung, indem wir sie geographisch nahen Refugien zuordneten, die während des LGM geeignete Lebensbedingungen boten. Die Populationen, in denen alpine Arten die Vergletscherung überlebten, waren damals kleiner als heute und befanden sich an den östlichen und westlichen Enden der Hauptkette der Pyrenäen sowie in den südlichen Randbereichen. Eine der stärksten geographischen Barrieren war das tiefe Cerdanya-Tal in den östlichen Pyrenäen, das eine Grenze zwischen genetischen Gruppen bildet. Die Vorhersagen unter zukünftigen Bedingungen zeigen eine allgemeine Abnahme der potentiellen Verbreitung der untersuchten Arten. Arten, die tiefer gelegene Höhenstufen besiedeln, haben in vielen Fällen die Möglichkeit, ihrer Nische durch eine Verschiebung ihrer Höhenverbreitung nach oben zu folgen. Doch auch bei diesen Arten werden die südlichsten Vorkommen höchstwahrscheinlich verschwinden. Besonders besorgniserregend ist die Situation für Arten der alpinen Stufe, bei denen ein Rückzug nach oben nicht möglich ist. Eine drastische Reduktion der geeigneten Flächen zeigen auch kleine Gebiete, die stark differenzierte Linien beherbergen, wie z. B. die östlichsten Pyrenäen. Dies hat signifikante Verluste in der intraspezifischen Diversität zur Folge. Diese Ergebnisse werden in einem weiteren Teil des Projektes genauer untersucht, indem der phylogenetische Endemismus (PE) für jede Art modelliert und auf zukünftige Bedingungen projiziert wird. Der PE gibt Aufschluss darüber, wie einzigartig eine genetische Gruppe ist, indem abgeschätzt wird, wie gut sie sich von anderen unterscheidet und inwieweit sie auf ein bestimmtes geographisches Gebiet beschränkt ist. Daher haben hoch differenzierte Gruppen, die in kleinen Gebieten vorkommen, einen hohen PE. Dies bedeutet, dass sie einzigartige Teile der genetischen Vielfalt der Art darstellen und hier die stärksten Bemühungen zur Erhaltung ansetzen sollten.