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Tracking Holocene genetic diversity of Swiss mountain forests using ancient DNA

English title Tracking Holocene genetic diversity of Swiss mountain forests using ancient DNA
Applicant Schwörer Christoph
Number 188472
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Pflanzenwissenschaften Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.03.2020 - 29.02.2024
Approved amount 443'239.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Other disciplines of Environmental Sciences
Environmental Research
Ecology

Keywords (9)

Range shifts; Palaeoecology; adaptation; ancient DNA; Vegetation History; Climate change; Land use; Vegetation modelling; Population genetics

Lay Summary (German)

Lead
Der Klimawandel zwingt Pflanzen dazu entweder ihr Verbreitungsgebiet zu ändern, sich an die neuen Klimabedingungen anzupassen oder Populationseinbussen in Kauf zu nehmen und - im schlimmsten Fall - gar auszusterben. Es ist aber nur wenig über den Einfluss dieser Szenarien auf die genetische Vielfalt von Pflanzen bekannt. Dieses Projekt verwendet einen neuen Ansatz, indem DNA aus jahrtausendealten Pflanzenresten analysiert wird um den Einfluss vergangener Klimaänderungen und menschlicher Störungen auf die genetische Vielfalt wichtiger Waldbäume zu untersuchen.
Lay summary

Einfluss vergangener Klimaänderungen auf die genetische Vielfalt des Schweizer Bergwaldes

Suivi de la diversité génétique holocène des forêts de montagne suisses à l'aide de l'ADN ancient

Tracking Holocene genetic diversity of Swiss mountain forests using ancient DNA

Inhalt und Ziele des Forschungsprojektes

Um den Einfluss des Klimawandels auf langlebige Organismen wie etwa Bäume untersuchen zu können braucht es die Hilfe von natürlichen Archiven (z.B. Ablagerungen in Seen), welche die Umweltgeschichte der Umgebung über Jahrtausende aufzeichnen können. In diesem Projekt analysieren wir Pollen, Holzkohle, Pflanzenreste und darin enthaltene DNA, welche seit dem Ende der letzten Eiszeit in Seesedimenten eingelagert wurden. Damit können wir den Einfluss vergangener Klimaänderungen auf die Verbreitung, die genetische Vielfalt und die Anpassungsfähigkeit verschiedener Baumarten untersuchen und Aussagen zur zukünftigen Entwicklung machen. Im Fokus stehen vier wichtige Arten des Schweizer Bergwaldes: Weisstanne (Abies alba), Lärche (Larix decidua), Fichte (Picea abies) und Arve (Pinus cembra). Die Extraktion und Analyse von DNA aus jahrtausendealten Pflanzenresten erlaubt uns zu überprüfen ob und wie stark Klimaänderungen und Störungen einen Einfluss auf die genetische Vielfalt der Arten hatten und ob sich Arten ev. sogar lokal an Klimaänderungen anpassen konnten. Die Analyse von Proben aus unterschiedlichen Zeitperioden ermöglicht es populationsgenetische Prozesse über lange Zeiträume zu studieren und populationsgenetische sowie vegetationsökologische Modelle mit Daten zu validieren. 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes

Die Kombination von traditionellen paläoökologischen Methoden mit neuartigen DNA-Extraktionsverfahren hat das Potential neue Forschungsrichtungen in der Paläoökologie und Populationsgenetik zu eröffnen. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es die Auswirkungen des zukünftigen Klimawandels auf verschiedene Baumarten der Alpen abschätzen zu können, sei es auf der genetischen oder räumlichen Ebene. Die Ergebnisse des Projektes können dazu beitragen die Artenvielfalt zu schützen und gefährdete alpine Ökosysteme und ihre Ökosystemleistungen für spätere Generationen zu erhalten.

Direct link to Lay Summary Last update: 13.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Climate change forces plant populations to adjust their distribution to stay in their potential climatic niche, adapt to the novel climatic conditions, or suffer population declines and - in the worst case - extinction. Long-term records are needed to understand how climate change affects long-lived organisms such as trees, and to develop management strategies to maintain ecosystem services. Understanding the responses of populations, species and communities to global warming, in order to make reliable future projections, is one of the major challenges of Environmental Sciences. To study past climate-driven range shifts and their effects on genetic diversity and the adaptive potential of trees, I propose a novel, holistic approach that combines established palaeoecological methods with the analysis of ancient DNA (aDNA) and dynamic vegetation modelling. The project focuses on the effects of past climatic and anthropogenic disturbances on four key tree species of Swiss mountain forests, i.e. Abies alba, Larix decidua, Picea abies and Pinus cembra. I will specifically test palaeoecologically-inferred recolonization pathways in response to rapid and repeated temperature increases from the end of the last Ice Age to the Holocene warm period, by extracting and analysing aDNA from subfossil plant remains of the first populations that established around two lakes in the Swiss Alps. In order to find out if trees were able to adapt to climatic changes in the past, I will track adaptive and neutral genetic diversity through the Holocene by analyzing aDNA from time periods with marked demographic changes of the four focal species. I will also sample present-day tree populations, to link the aDNA genotypes with current genetic variation and identify cryptic lineages. The basis of this ambitious project will be the analysis of pollen, macrofossils and charcoal deposited in lake sediment archives to reconstruct local to regional vegetation and fire dynamics with high chronological precision and resolution. We will combine these palaeoecological analyses with a spatially explicit dynamic vegetation model (LANDCLIM) to disentangle different forcing factors (i.e climate and anthropogenic land-use), test hypotheses regarding past demographic changes and simulate future vegetation dynamics under different climate and land-use scenarios. Our aims are to 1) reconstruct demographic changes of four key tree species in the Swiss Alps in response to climatic forcing and anthropogenic disturbance over the Holocene; 2) test hypotheses regarding past recolonization pathways after the end of the Ice Age; 3) infer changes in the neutral genetic variability due to population genetic processes; 4) quantify changes in the allele frequency of putative adaptive alleles in response to climatic or anthropogenic disturbance that would indicate genetic adaptation to environmental stressors; 5) compare the reconstructed changes in forest composition with simulations from a dynamic vegetation model to disentangle drivers of vegetation dynamics and make detailed projection about the future of Swiss mountain forests under climate change; 6) validate population genetic models in time using key results from the genetic analyses and simulate future changes in genetic diversity under different climate change and land-use scenarios. What sets this project apart is the combination of cutting-edge molecular methods with established and tested palaeoecological approaches. The project has the potential to open up new research avenues in palaeoecology and population genetics. The ultimate goal of this project is to assess the impact of future global change on mountain forests in the Swiss Alps, from the genetic to the landscape scale. This will help ecosystem managers and conservation biologists to protect multi-level biodiversity and maintain fragile alpine ecosystems and their services for future generations.
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