Bedeutung von intraspezifischer Diversität für Ökophysiologie und organismische Interaktionen bei der Pappel

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Die Pappel (Salicaceae) ist eine in Europa weit verbreitete Pionierbaumart. Generell spielt eine hohe Anpassungsfähigkeit für das Überleben dieser Art in häufig gestörten natürlichen Habitaten eine wichtige Rolle. Bislang ist die Bedeutung der intraspezifischen Diversität für Ökosystemfunktionen und Dienstleistungen wenig untersucht worden. Daher wurden in dieser Arbeit folgende Hypothesen geprüft:
(i) Unterschiede zwischen Klonen einer Pappelart wirken sich auf Wachstum, Inhaltsstoffe und Interaktionen mit Fraßfeinden aus.
(ii) Genetische Unterschiede in Vollgeschwisterfamilien wirken sich auf Wachstum, Blattinhaltstoffe und die Interaktionen mit Pilzen aus.
(iii) Pappeldeme unterschiedlicher geografischer Herkunft zeigen in Mischungen höhere Biomasseproduktion als in Monokulturen.
Zur Überprüfung der Hypothesen wurde in Versuchsreihen schrittweise die Diversität der Pappeln erhöht. Es wurden Klone, Vollgeschwister und Herkünfte auf Ähnlichkeiten und Unterschiede im Wachstumsverhalten und ihren organismischen Interaktionen untersucht. Da vermutet wurde, dass die Beziehungen mit der belebten Umgebung über Blattinhaltsstoffe beeinflusst werden, wurden Mineralelemente und Stickstoffgehalte, sowie Kohlenhydrate und phenolische Verbindungen analysiert.
(i) In einem Gewächshausversuch wurden 5 Schwarzpappelklone folgenden Behandlungen unterzogen: Inokulation mit dem Mykorrhizapilz Paxillus involutus (Stamm MAJ), Fungizidbehandlung oder beiden Behandlungen. Der Einfluß dieser Faktoren wurde auf Biomasseproduktion und Insektenfraß (Baumwolleule, Helicoverpa amigera) überprüft. Die Schwarzpappelklone zeigten signifikante Unterschiede in den Wachstumsparametern Höhe, Wurzelhalsdurchmesser und der Biomasse. Um Informationen über Insekteninteraktionen zu erlangen, wurden Blätter der Klone an Larven der Baumwolleule verfüttert. Es wurden sowohl die gefressene Blattfläche als auch die Gewichtszunahme der Larven nach 24h untersucht. Die gefressene Blattfläche unterschied sich zwischen den einzelnen Klonen und Behandlungen. Larven, die an P. involutus inokulierten Pflanzen gefressen hatten, konnten ihr Gewicht deutlich weniger steigern als Larven, die an unbehandelten oder nur mit Fungizid behandelten Pappeln gefressen hatten. Es konnten deutliche Effekte der Inokulation gefunden werden, die möglicherweise über pilz-induzierte systemische Veränderungen vermittelt wurden.
(ii) In einen Freilandexperiment wurden 7 Vollgeschwisterfamilien aus kontrollierten Kreuzungen von Aspen (Populus tremula) in einem randomisierten Design gepflanzt. Die Hälfte der Pflanzen wurde einmal monatlich mit Fungizid behandelt. Die Kreuzungen unterschieden sich signifikant in verschiedenen Wachstumsparametern (Höhe, Wurzelhalsdurchmesser, Blattfläche). Von den untersuchten Blattinhaltsstoffen unterschieden sich die Gehalte löslicher phenolischer Verbindungen zwischen den Kreuzungen signifikant. Auch die Gehalte der Nährelemente Kalzium, Magnesium und Mangan unterschieden sich zwischen den Kreuzungen signifikant. Die Fungizidbehandlung hatte auf die Endophytenkolonisation der Blätter einen deutlich negativen Einfluss, auf die Mykorrhizierung mit Ektomykorrhiza und arbuskulärer Mykorrhiza hingegen nicht. Die Wachstumsunterschiede zwischen den Vollgeschwisterfamilien waren unerwartet groß. Ebenfalls neu ist das Ergebnis, dass die Mineralstoffgehalte der Blätter teilweise genetisch kontrolliert sind.
(iii) In einem Freilandexperiment wurde auf einer historischen Dauergrünlandfläche im Solling ein Diversitätsexperiment mit 8 Aspendemen angelegt. Zur Standortcharakterisierung wurden pH-Wert und Nährelementgehalte untersucht. Es handelte sich um einen mäßig sauren Standort mit mittlerer Nährstoffversorgung, der aus landwirtschaftlicher Sicht als Grenzertragsstandort einzustufen war. Bei der Auswahl der Aspen wurde sowohl ein Nord – Süd – Gradient als auch ein Ost – West – Gradient berücksichtigt. Von den verwendeten Aspendemen stammten 7 aus Europa (Populus tremula) und 1 aus den USA (P. tremuloides). Die europäischen Aspen wurden aus Schweden, Polen, Deutschland, Österreich und der Schweiz bezogen. Aus Deutschland stammten 3 Herkünfte, eine aus Holstein und zwei aus Göttingen. Die Deme wurden in einem replizierten Blockdesign in 4 verschiedenen Mischungsstufen angepflanzt: Monokultur (M1), zweier Kombinationen (M2), zufällige Vierer – Kombinationen (M4) oder Achter – Kombination (M8). Die einzelnen Deme zeigten verschiedene signifikante Unterschiede im Hinblick auf Wachstum, den Blattgröße, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt der Blätter und ihrer Vegetationsdauer. Der Einfluss der Mischung wirkte sich über den Untersuchungszeitraum tendenziell negativ auf das Wachstum der Aspen aus. Aufgrund der gewählten Pflanzabstände waren signifikante Interaktionen zwischen den Aspenindividuen im ersten Jahr nach der Pflanzung jedoch noch nicht wahrscheinlich. Daher können die Ergebnisse im Hinblick auf den Diversitätseffekt nur als erste Anhaltspunkte bewertet werden. Wie erwartet unterschieden sich die Deme nach ihrer geographischen Herkunft deutlich. Die höchsten Zuwächse wurden für die amerikanischen Aspen gefunden.
Im Hinblick auf die Eingangshypothesen kann festgehalten werden, dass sich Unterschiede zwischen Klonen einer Pappelart auf Wachstum und Inhaltsstoffe auswirkten, nicht aber auf das Fraßverhalten der Baumwolleule, die als Generalist einzuschätzen ist. Die Vitalität der Insektenlarven wurde dagegen stark durch Interaktionen mit einem Mykorrhizapilz beeinflusst. Die Mechanismen dieser Interaktion müssen in weiteren Untersuchungen geklärt werden. Genetische Unterschiede in Vollgeschwisterfamilien wirken sich auf sehr deutlich auf Wachstum und Inhaltsstoffe aus, jedoch nicht auf die Besiedlung mit Mykorrhizapilzen. Pappeldeme unterschiedlicher geografischer Herkunft zeigten in Mischungen innerhalb eines Jahres nach Pflanzung keine höhere Biomasseproduktion als in Monokulturen.