Impacts of environmental factors on pollen production of birch across different climatic conditions in Europe

Kurzfassung/Abstract

Die Pollenproduktion der Birke (Betula spp.) ist ein entscheidender Faktor für die Fortpflanzung der Pflanzen und die menschliche Gesundheit, da Birkenpollen ein wichtiges Aeroallergen darstellen. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Umweltfaktoren und der Pollenproduktion der Birke sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die Auswirkungen genetischer, klimatischer und anderer Umweltfaktoren auf die Pollenproduktion verschiedener Birkenarten und Klimabedingungen in Europa zu untersuchen. Diese Forschungsarbeiten gewinnen große Bedeutung, da angenommen wird, dass der Klimawandel das Risiko und die Schwere allergischer Erkrankungen verändert und die Fortpflanzungsbedingungen von Waldbäumen beeinflussen könnte.

Die wichtigsten Fragen, die in dieser Dissertation behandelt werden, sind:

1. Wie hoch ist die Pollenproduktion von Betula-Arten? Mit anderen Worten: Wie viele Blütenstände und Pollen werden von unterschiedlichen Birkenarten produziert?

2. Gibt es jährliche Schwankungen in der Pollenproduktion der Birke?

3. Wie beeinflussen genetische Faktoren sowie Umweltfaktoren die Pollenproduktion der Birke auf lokaler und regionaler Ebene?

Die in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsergebnisse basieren auf drei von Experten begutachteten Veröffentlichungen, die einen vielschichtigen Ansatz zur Beantwortung der übergeordneten Forschungsfragen verfolgten. In der ersten Studie (Kapitel 4) wurde die Pollenproduktion von geklonten Individuen der Hängebirke (Betula pendula) in drei aufeinanderfolgenden Jahren (2019-2021) in einer Saatgutplantage in Deutschland untersucht, wobei Kätzchenproben von 28 Birken gesammelt wurden. Die zweite Studie (Kapitel 5) untersuchte die Pollenproduktion der Moorbirke (Betula pubescens) entlang eines Höhengradienten von 522 Metern in den europäischen Alpen in den Jahren 2020 und 2021, wobei Kätzchenproben von 17 Birken an neun verschiedenen Höhenstandorten gesammelt wurden. Die dritte Studie (Kapitel 6) untersuchte die kontinentalen Auswirkungen von Meteorologie (Temperatur, Niederschlag) und atmosphärischen Gasen (Ozon, Kohlendioxid) auf die Pollenproduktion von Moorbirken in 37 Internationalen Phänologischen Gärten (IPGs) in Europa, wobei Kätzchenproben in drei aufeinanderfolgenden Jahren (2019-2021) gesammelt wurden und das Baumalter anhand des Stammumfangs approximiert wurde.
Wir haben ein standardisiertes Verfahren zur Gewinnung von Pollen aus Kätzchen angepasst und diese Methodik konsistent in allen drei Studien angewandt. In den Kapiteln 4 und 5 wurden Umweltfaktoren wie Lufttemperatur, Luftqualität und Sonneneinstrahlung an den Untersuchungsstandorten überwacht. Für Kapitel 6 wurden meteorologische Daten mit hoher räumlicher Auflösung (0,1°) aus dem E-OBS-Datensatz gewonnen, und die Konzentrationen von O3, NO2 und CO2 wurden aus der Reanalyse des Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) abgeleitet.

Zu den wichtigsten statistischen Analysen gehörten nicht-parametrische Tests wie der Kruskal-Wallis-Test, der Mann-Whitney-U-Test, die Spearman-Korrelation und die Mittelwertregression. Außerdem wurde eine verteilungsfreie Quantilregression angewandt, bei der die Quantile der Antwortverteilung (Pollenproduktion) direkt modelliert wurden. Auf diese Weise konnten die Auswirkungen von Faktoren wie Temperatur und O3-Gehalt über verschiedene Quantile der Antwortvariablen hinweg bewertet werden. Alle statistischen Analysen wurden mit den R-Versionen 4.1.2, 4.2.2 und 4.3.2 durchgeführt.

Wir haben die durchschnittliche Pollenproduktion für zwei Birkenarten geschätzt: 1,66 Millionen Pollenkörner pro Kätzchen für B. pendula (Kapitel 4) und zwischen 0,4 und 8,3 Millionen Pollenkörner pro Kätzchen für B. pubescens (Kapiteln 5 und 6). Außerdem wurden sowohl bei der Pollen- als auch bei der Kätzchenproduktion erhebliche jährliche Schwankungen festgestellt. Unsere Ergebnisse enthalten auch Hinweise auf ein Mastverhalten der ausgewählten Birken (Kapiteln 4 und 5), was darauf hindeutet, dass die jährlichen Schwankungen in der Pollenproduktion durch das Mastverhalten beeinflusst werden könnten, was die Auswirkungen von Umweltfaktoren wie der Temperatur möglicherweise überdeckt.

Am Standort der Saatgutplantage haben wir festgestellt, dass die genetische Variabilität der Birken zu einer erhöhten Variabilität der Pollenproduktion führt (Kapitel 4). Um die Auswirkungen von Umweltfaktoren effektiv zu untersuchen, wendeten wir daher ein Forschungsdesign an, das die genetische Variabilität zwischen den Bäumen minimiert. Dieser Ansatz wurde in unserer europaweiten Studie mit IPG-Birken angewandt, welche eine geringere genetische Variabilität aufweisen (Kapitel 6).

Die Ergebnisse der Untersuchungen in den europäischen Alpen (Kapitel 5) und in ganz Europa (Kapitel 6) ergaben signifikante positive Korrelationen zwischen der Lufttemperatur und der Pollenproduktion der Birke. Es wurden jedoch keine Korrelationen mit dem Höhengradienten (Kapitel 5) oder der CO2-Konzentration (Kapitel 6) festgestellt. Mit zunehmender O3-Konzentration ging die Pollenproduktion tendenziell zurück (Kapitel 6). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine weitere Klimaerwärmung die negativen Auswirkungen auf Pollenallergiker noch verstärken könnte.

Diese Doktorarbeit bietet neue Einblicke in das komplexe Zusammenspiel der Umwelteinflüsse auf die Pollenproduktion der Birke und trägt zu einem genaueren Verständnis der möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenreproduktion und die menschliche Gesundheit bei.