Systematik und Evolutionsforschung

Die genetischen Rätsel der Weidenröschen ( Epilobium )

Die Gattung Epilobium ist so vielfältig, dass ihre genauen Verwandtschaftsverhältnisse in der Forschung noch immer große Fragen aufwerfen. In unserem Projekt gehen wir diesen Rätseln auf den Grund: Wir untersuchen die Arten in Hessen und Schleswig-Holstein mithilfe moderner ddRad-seq-Analysen. Dabei blicken wir tief in die Populationsgenetik, um Verwandtschaften und Hybridisierungen zu entschlüsseln. Ein besonderer Fokus liegt auf der invasiven Art Epilobium ciliatum und ihrer möglichen Vermischung mit unseren heimischen Arten. Zudem arbeiten wir an der Erstellung präziser Stammbäume (Phylogenien) für die Arten E. montanum und E. colinum .

„Diversität Hessischer Orchideen, ihre künstliche Anzucht, Kultur und Wiederausbringung (DivOrch)“

Das Projekt untersucht die Diversität von ausgewählten Populationen einheimischer Orchideen‑Arten in Hessen in Kooperation mit dem Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG). Viele dieser Arten sind durch menschliches Einwirken, z.B. durch Landnutzungswandel, gefährdet oder im Rückgang begriffen. Um eine bessere Empfehlungen zum Umgang mit Wiederansiedlungen via Samen oder Jungpflanzen geben zu können, ist es notwendig die genetische Diversität der Arten in Hessen zu erfassen, um geeignete Spenderpopulationen ausfindig machen zu können, welche zudem bestmöglich an die jeweiligen Standorte angepasst sind. Durch die Untersuchung sollen Populationen, die sich im Rückgang befinden, genetisch charakterisiert und dadurch überprüft werden, ob sich ggf. noch ein einziger, klonaler Genotyp am Standort befindet. Hieraus sollen Maßnahmen entwickelt werden, um die Diversität am Standort zu erhöhen, z.B. durch Wiederausbringung weiterer Pflanzen oder Einführung benachbarter Genotypen. Dabei ist zu beachten, dass nicht wahllos Genotypen ausgebracht werden können, sondern unter Berücksichtigung des molekular gestützten Naturschutzes regionale Genotypen erfasst und berücksichtigt werden. Zusätzlich sollen durch Samenentnahme künstliche Anzuchtmöglichkeiten (In-vitro-Kulturen) erprobt und optimiert werden. Die Umsetzung aus Nährmedium in das geeignete Substrat muss hierbei erprobt werden, um eine Praxisanwendung abzuleiten und damit für die Wiederansiedlungsprojekte verlässliche Methoden bereit zu stellen.

Ein Ziel der Studie ist, die herangezogenen Orchideen wieder an ihre Ursprungsorte zu bringen, um in weiterführenden Studien die Erfolgsrate der Wiederausbringung zu evaluieren und dadurch langfristig Populationen/Standorte zu stabilisieren oder auch erloschene Populationen wiederaufzubauen.

Die zur Untersuchung ausgewählten Arten sind:

• Cypripedium calceolus (Frauenschuh; Art des Anhang II und Anhang IV der Flora-Fauna-Habitat-Richtlinie)
• Dactylorhiza majalis (Rchb.) P.F.Hunt & Summerh. (Breitblättriges Knabenraut; Art des Bundesprogramms Biologische Vielfalt)
• Anacamptis morio (L.) R.M.Bateman, Pridgeon & M.W.Chase (Kleines Knabenkraut; Hessen-Art)
• Spiranthes spiralis (L.) Chevall. (Herbst-Drehwurz; Hessen-Art)
• Neotinea ustulata (L.) R.M.Bateman, Pridgeon & M.W.Chase (Brand-Knabenkraut; Hessen-Art)
• Herminium monorchis (L.) R.Br. (Einknollige Honigorchis; Hessen-Art)

Ein Meilenstein wurde mit der Abgabe des Abschlussberichts an das HLNUG erreicht (einsehbar unter: https://www.hlnug.de/themen/naturschutz/biodiversitaetsforschungsfonds/orchideen ). Die Arbeit an den Erdorchideen geht weiter; dabei werden Wiederansiedlungsmaßnahmen und Kulturbedingungen in Zusammenarbeit mit den Behörden vor Ort optimiert und untersucht.

Bearbeitet wird diese Projekt von Julia Metzsch (Doktorarbeit) und Kardelen Çilgin (Doktorarbeit), Dr. Christina M. Müller

von links nach rechts: Neotinea ustulata , Dactylorhiza majalis , Anacamptis morio , Spiranthes spiralis, Cypripedium calceolus, Herminium monorchis (Fotos: Christina M. Müller)

In diesem Projekt wird die Diversität der Herbst-Drehwurz ( Spiranthes spiralis (L.) Chevall.) an zwei verschiedenen Standorten in Hessen untersucht. Die Art steht in Hessen auf der “Hessen-Liste“ der Arten und Lebensräume (https://www.hlnug.de/themen/naturschutz/tiere-und-pflanzen/hessen-liste-der-arten-und-lebensraeume). Diese stellt eine fachliche Priorisierung von Arten und Lebensräumen dar, welche für die regionale Umsetzung von Zielen der Hessischen Biodiversitätsstrategie helfen soll. Der Rückgang der Herbst-Drehwurz hängt oftmals auch mit den Umweltfaktoren zusammen, die auf den jeweiligen Flächen vorherrschen. Wir wollen erforschen, ob wir ähnliche Genotypen an den beiden Standorten vorfinden und somit eine Auffrischung des geschwächten Standortes mittels Samenverbringung möglich ist. Parallel werden aber auch Samen entnommen, auf Nährmedium kultiviert und im Gewächshaus als Jungpflanzen eingetopft, um sie später an den ursprünglichen Standorten wieder ausbringen zu können. Dies kann aber nur geschehen, wenn klar ist ob man den geschwächten Standort auch wieder durch passende Pflegemaßnahmen in einen günstigen Zustand versetzen kann.

_{Spiranthes spiralis (L.) Chevall. im natürlichen Habitat. Hier sieht man auch, dass sich alle Volksnamen auf den spiralig gewundenen Blütenstand zurückführen lassen, ebenso das Art-Epithon spiralis welches auf diese Form hinweist. Fotos: C.M. Müller, 2021}

In den nächsten Jahren kommen dann noch zwei weitere Arten zu diesem Projekt hinzu, bei ihnen handelt es sich auch um Arten aus der „Hessen-Liste“. Hier wird aber dann hessenweit nach Populationen geschaut, die genetisch miteinander abgeglichen werden sollen, um einen Überblick über die genetische Lage dieser Arten zu erhalten und um weitere Projekte erstellen zu können.

_{links: Dactylorhiza majalis (Rchb.) P. F. Hunt & Summerh. (Breitblättriges Knabenraut) Breitblättrige Fingerwurz. (Foto: C.M. Müller 2021)}

_{rechts: Orchis morio = Anacamptis morio (L.) R.M.Bateman, Pridgeon & M.W.Chase (Kleines Knabenkraut). (Foto: C.M. Müller 2022)}

Allium angulosum L. - schwerer Stand bei Gießen

Der Kantige Lauch befindet sich in der ex situ Kultur des Botanischen Garten Gießens, hier lässt er sich verhältnismäßig gut kultivieren und auch aus Samen nachziehen nur am Naturstandort bei Gießen will dies nicht recht klappen. Ursachenforschung ist angesagt, woran könnte dies liegen? Ist der Standort nicht mehr passend und die Naturverjüngung bleibt daher aus, oder ist er schon zu sehr genetisch verarmt? Es ist ein genetischer vergleich mit noch existierenden Populationen Hessens angestrebt und der Vergleich der Genetik im Garten (ex situ) mit den in situ Pflanzen, als auch ein Blick auf die Ansprüche von Allium angulosum . Es besteht die Möglichkeit unterschiedliche Bereiche miteinander zu vernetzten und kennen zu lernen, Botanischer Garten, Naturschutzbehörden in Gießen unser Institut.

In diesem Projekt wird die Diversität invasiver und potentiell invasiver aquatischer Neophyten in Hessen untersucht. Viele dieser Arten sind durch menschliche Aktivitäten wie Handel, Transport und Verkehr außerhalb ihres natürlichen Verbreitungsgebiets angekommen. Die Etablierung und Ausbreitung sind jedoch weniger von der Art des Ankommens als von den Bedingungen vor Ort abhängig. Der globale Wandel, hier besonders die Erwärmung, ist für einige der untersuchten Art das Kriterium, das ihre Ausbreitung befördert oder (noch) verhindert. Daher ist es notwendig, gerade auch die Populationsstruktur der potentiell invasiven Arten im Vergleich mit Standorten außerhalb Hessens zu erfassen und zu dokumentieren, um die Entwicklungsdynamik zu verstehen und zu beurteilen. Nur hieraus können dann wirksame Konzepte entwickelt werden.

Benjamin Feller (Doktorarbeit), Prof. Dr. Volker Wissemann

Crassula helmsii. Beide Fotos: Benjamin Feller

Die Adaptation an saline Standorte hat zur Evolution von Halophyten geführt. Auch die Flora der Küstenregionen von Nord- und Ostsee ist geprägt vom Selektionsfaktor Salztress. Obwohl Rosen keine ausgeprägten Halophyten sind, besiedeln dennoch innerhalb der Gattung Rosa die beiden einheimischen Arten Rosa spinosissima und Rosa mollis Küstenstandorte mit erhöhter Salinität, während andere in Nordeuropa vorkommende Wildrosen diese Gebiete meiden. Die aus Ostasien stammende neophytische und invasive Kartoffelrose ( Rosa rugosa ) verdrängt allerdings diese einheimischen salztoleranten Arten von ihren natürlichen Standorten. Eine mögliche Erklärung für den Invasionserfolg von Rosa rugosa ist ihre besonders ausgeprägte Salztoleranz. Bisher existieren nur wenige Studien, die sich mit den morphologischen, anatomischen und physiologischen Grundlagen von Salztoleranz in Kulturrosen beschäftigen. Arbeiten zu salztoleranten Wildrosen fehlen bislang. Dieses Forschungsprojekt untersucht deshalb die Mechanismen zur Salztoleranz an sechs Wildrosenarten, um die Adaptation an Salzstress zu verstehen.

Volker Wissemann

In diesem Projekt erforschen wir, wie Pflanzenarten sich aus ihren Rückzugsgebieten nach dem Abschmelzen der pleistozänen Eismassen in Europa wieder ausbreiten. Die hier untersuchten Rosenarten waren bisher nicht in der Lage, ihre ursprünglichen Habitate wiederzubesiedeln. Sie kommen heute in kleinen isolierten Populationen vor, die sowohl durch anthropogene als auch natürliche Faktoren bedroht sind.

R. mollis (Weiche Rose) / R. villosa (Apfelrose)

R. spinosissima (Bibernell- bzw. Dünenrose)

Ohne fremde „Hilfe“ auf dem Acker …..

Phänotypische Plastizität bei ausbleibender Fremdbestäubung

Ein Projekt das sich mit Fragen beschäftigt die alt und doch brandaktuell sind!

Wie reagieren Wildpflanzen, wenn ihnen Bestäuber fehlen?

Wie viel Fremdbestäubung ist nötig, um die Art zu sichern?

Wie verändert sich eine/die Art ohne Bestäuber?

Im Versuch stehen sechs annuelle Ackerwildkräuter aus zwei Familien einmal den Ranuculaceae mit den Arten Ranuculus arvensis , Nigella arvensis und Consolida regalis sowie den Caryophyllaceae mit Agrostemma githago , Silene noctiflora und Vaccaria hispanica im Blick. Die Pflanzen wurden in einem „Käfig“ angebaut, welcher frei von potentiellen Bestäubern gehalten wurde und zusätzlich auf einer Kontrollfläche in direkter Nachbarschaft, auf der alles möglich war. Die Daten wurden in einem Zeitraum von 4 Jahren (2019-2022) erhoben und zeigen erste Ansätze zu deutlichen Unterscheidungen zwischen Fremdbestäubung (Kontrollfläche) und Selbstbestäubung („Käfig“) in den unterschiedlichen Arten.

Wer sich vorstellen kann, mit den erhobenen Daten zu arbeiten und Literaturrecherche zu diesem, historischen und doch aktuellen, Thema betreiben möchte, kann sich gerne bei uns melden bzw. auch weitere Informationen bekommen.

Ansprechpartnerin: Dr. Christina M. Müller -> Christina.M.Mueller@bot1.bio.uni-giessen.de

Artbildung bei Pflanzen ist das Ergebnis eines komplexen Netzwerkes von evolutiven Mustern, Selektionsdruck sowie biotischen und abiotischen Vorgängen, die auf Taxa wirken. Zurzeit steht der Einfluß des Klimawandels auf die globale Diversität sehr im Fokus der Forschung. Insbesondere die montane Flora wird durch eine sich ändernde Umwelt im Zuge der globalen Erwärmung betroffen sein. Modellgattungen der Gebirgsflora können bei der Vorhersage möglicher Effekte hilfreich sein. Jedoch sind gründliche Kenntnisse der Taxa notwendig, um die spezifischen Artbildungsprozesse in den einzelnen Gruppen zu verstehen.
In einem Verbundprojekt wollen wir die Evolution der Chromosomen von Leontopodium, dem Edelweiss, untersuchen. Die Gattung Leontopodium (Pers.) R. Br. (Asteraceae, Compositae) ist eine der Schlüsselgattungen für die Analyse des Einflusses von Klimawandel auf montane Floren. Sie ist sowohl im pharmazeutischen als auch im gartenbaulichen Bereich ökonomisch von großer Bedeutung. Trotz ihres Stellenwertes ist nur wenig über den Zusammenhang der Arten und die Abgrenzung zwischen den Arten bekannt. Eines der entscheidenden Kriterien hierfür ist die Anzahl der Chromosomen und Befunde zur Polyploidie.

Volker Wissemann

in Kooperation mit

• M. Jaeger, Botanischer Garten, Justus-Liebig-Universität, Giessen
• W. B. Dickoré, Botanische Staatssammlung München, Ludwig-Maximilian-Universität, München
• T. F. Stuessy und S. Safer, Department für Botanische Systematik und Evolutionsforschung , Universität Wien, Österreich
• H. Stuppner, Institut für Pharmazie/Pharmakognosie, Leopold-Franzens-Universität, Innsbruck, Österreich