Morphological community analysis versus eDNA metabarcoding: diversity and ecological functions of fungal communities in differently managed stages along a forest conversion of Norway spruce towards old-growth European beech : distinct differences in fungal species richness and community composition in differently managed forest conversion stages of the Eifel National Park in Germany

Heine, Peggy; Schäffer, Andreas (Thesis advisor); van Dongen, Joost Thomas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

In terrestrischen Ökosystemen gehören Pilze aufgrund ihrer speziellen Aufgaben in Nährstoffkreisläufen und bei symbiotischen Assoziationen mit Pflanzen zu den wichtigsten Organismengruppen. Sie steuern grundlegende ökologische Funktionen in verschiedenen Ökosystemprozessen und zeichnen sich durch ihren wichtigen Beitrag zu Energieflüssen in Waldökosystemen aus. Darüber hinaus reagieren sie sehr empfindlich auf natürliche und anthropogene Störungen, was sie zu vielversprechenden Bioindikatoren in Umweltstudien über Waldökosysteme macht. Allerdings sind Pilze gefährdet und benötigen in Bezug auf Schutz und Erhalt unsere Aufmerksamkeit. In dieser Arbeit wurde die Pilzgemeinschaft in verschieden bewirtschafteten Waldstadien untersucht, die eine Waldumbaumassnahme von Fichte (Picea abies) zu Rotbuche (Fagus sylvatica) im Nationalpark Eifel (Nordrhein-Westfalen, Deutschland) abbilden. Hierzu wurde ein Raum-Zeit-Substitutionskonzept mit drei Flächenreplikaten je a priori klassifiziertem Waldumbaustadium verwendet: (I) gleichaltriger Fichtenwald, (II) belassener Fichtenwindwurf, (III) geräumter Fichtenwindwurf, (IV) Fichtenwald mit Einzelbaumentnahme von Fichten und anschliessender Unterpflanzung von jungen Rotbuchen (naturnahes Waldmanagement), und (V) alt gewachsener, ungleichalter Rotbuchenwald. Bei der vorliegenden Studie wurden zwei verschiedenen Untersuchungsmethoden zur Identifizierung von Pilzen angewendet. Eine morphologische Pilzbestimmung über einen Zeitraum von 3 Jahren wurde durchgeführt, während zeitnah ein eDNA metabarcoding (mithilfe einer HiSeq Illumina Plattform) des Oberbodens auf den gleichen Standorten vorgenommen wurde. Oberhalb der Erdoberfläche wurden alle sichtbaren Fruchtkörper von Basidiomyceten und Ascomyceten bis auf Artenebene identifiziert. Unter der Erdoberfläche wurden die erhaltenen operativen taxonomischen Einheiten (OTUs) der pilzlichen ITS1-Region (internal transcribed spacer) durch die Referenzdatenbank UNITE identifiziert, um einen Datensatz auf OTU- sowie Artniveau zu erhalten. Zum besseren Verständnis der Auswirkungen biotischer und abiotischer Einflüsse während der gemanagten Waldumwandlung wurden verschiedene Umweltvariablen (u.a. pH-Wert, C:N-Verhältnis) gemessen, um Korrelationen mit den Pilzgemeinschaften zu finden. Darüber hinaus wurden alle Pilzarten in ihre entsprechenden funktionellen Gruppen (u.a. holzabbauende Pilze) eingeteilt, um taxonomische Informationen mit potenziellen Ökosystemfunktionen zu verbinden. Für eine gute Interpretation und einen besseren Vergleich beider Datensätze wurden Präsenz-Absenz-Daten für generalisierte lineare Modelle (GLMs) sowie für Klassifikations- und Ordinationsanalysen verwendet. Es sollte geklärt werden, wie die Pilzgemeinschaft ober- sowie unterhalb der Erdoberfläche auf den Waldumwandlungsprozess reagiert und welche Folgen für die Funktion des Waldökosystems zu erwarten sind. Dabei wurden einzelne Pilzarten diskutiert und dominante funktionelle Pilzgruppen hervorgehoben. Es wurden insgesamt 235 Pilzarten durch morphologische Identifizierung gefunden und bestimmt, während das eDNA metabarcoding insgesamt 869 Pilz-OTUs erzeugte, was nach dem derzeigten Stand der UNITE Datenbank zu 198 DNA-basierten Pilzarten führte. Der Vergleich des morphologischen und molekularbiologischen Datensatzes auf Artniveau ergab 27 Pilzarten, die in beiden Datensätzen vorkamen, während insgesamt 406 Pilzarten gefunden wurden. In beiden Datensätzen waren die holzzersetzenden Pilze die dominanteste funktionelle Gruppe. Der morphologische Datensatz ergab unterschiedliche Zusammensetzungen von Pilzgemeinschaften zwischen den fünf verschiedenen Waldumbaustadien, die jeweils einen unterschiedlichen Artenreichtum aufwiesen, während sich ähnliche Werte innerhalb der drei Flächenreplikaten von jeder a priori klassifizierten Waldumbaustadien ergaben. Dabei unterscheidet sich die Artenzusammensetzung der europäischen Buchenwälder deutlich von allen anderen untersuchten Waldumbaustadien und spiegelt eine Verschiebung aufgrund der veränderten Baumartenzusammensetzung wider. Die unterschiedlich verwalteten Windwurfstadien unterschieden sich nicht signifikant voneinander, sondern unterschieden sich eher von den bewaldeten Stadien (entweder Fichten- oder Buchenhabitate). Wahrscheinlich aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen sowie der damit verbundenen Umweltveränderungen, wie höhere Mikroklimaschwankungen durch ein offenes Kronendach nach Windwurf, waren die Unterschiede zu den bewaldeten Flächen viel stärker zu verzeichnen. Aufgrund der Waldumwandlung wurden fichten-assoziierte Pilzarten und Generalisten durch buchen-assoziierte Pilzarten und Spezialisten ersetzt, wobei es gleichzeitig zu einer höheren Pilzdiversität in den Buchen-dominierenden Waldstadien kam. Darüber hinaus ergab der morphologische Datensatz, dass verschiedene funktionelle Gruppen von Pilzen unterschiedlich auf die Waldbewirtschaftung, den Wirtsbaum sowie die gemessenen Umweltvariablen reagierten. Insgesamt zeigte diese Studie, dass sowohl Rotbuche als auch Fichte als dominierende Baumart, die Pilzgemeinschaft maßgeblich prägen. Neben der Veränderung der Baumartenzusammensetzung und der Waldbewirtschaftung war die Nährstoffverfügbarkeit ein wichtiger Faktor für die Veränderung der Pilzartenzusammensetzung. Obwohl der molekular-biologische Datensatz nur 27 Pilzarten mit dem morphologischen Datensatz teilte und ein entgegengesetztes Reaktionsmuster beim Artenreichtum pro Waldumbaustadiums zeigte, ergab die Zusammensetzung der Pilzgemeinschaft ähnliche Reaktionsmuster im Zuge des Waldumbauprozesses. Beide Datensätze zeigten, dass der Buchen-Referenzwald im Vergleich zu den anderen Waldumbaustadien eine völlig unterschiedliche Artenzusammensetzung der Pilzgemeinschaften aufwies, die molekular-biologisch erfassten Pilzgemeinschaften jedoch zwischen den einzelnen Waldumbaustadien weniger ausgeprägt (z.B. Fichtenwald versus Fichtenwald mit Buchenunterpflanzung) waren. Darüber hinaus wurden im Boden aller untersuchten Waldumbaustadien buchenwald-spezifische Pilze detektiert, auch in die beiden verschieden gemanagten Windwurflächen. Der morphologische Datensatz zeigten hingegen, dass die mit Buche bepflanzte Waldstadien eine deutlich höhere Anzahl an buchenwald-spezifischen Pilzen aufweisen und keine in den anderen Waldumbaustadien. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die Umstellung des Fichtenwaldes auf Buchenwald für diese Region geeignet scheint und der geplante Waldumbau durch die Bildung aktiver buchen-spezifischer Pilzgemeinschaften unterstützt werden kann. Die Ergebnisse der morphologischen Analyse zeigten, dass die Entnahme von einzelnen Fichtenbäumen mit anschliessender Unterpflanzung von Buchen (naturnahes Waldmanagement) eine adäquate Waldmanagementstrategie sein kann, um einen Umwandlungsprozess von Fichtenwäldern in Buchenwälder zu unterstützen, ohne den Pilzartenreichtum zu reduzieren und seine funktionelle Struktur der oberirdischen Pilzgemeinschaft negativ zu beeinflussen. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse der molekularen Analyse die Bedeutung der Fichtenwaldumwandlung auf ehemaligen Buchenwäldern für die Unterstützung von naturnahen Lebensräumen auf Landschaftsebene und für die Förderung von gefährdeten Pilzarten. Dabei könnte der naturnahe Fichten-Buchen-Mischwald eine Schlüsselrolle für die Erhaltung einer hohen Biodiversität und einer kontinuierlichen Waldstruktur in gemäßigten europäischen Umwandlungsprojekten spielen. Die eDNA metabarcoding Methode lieferte teilweise entgegengesetzte Ergebnisse, brachte aber Erkenntnisse über mögliche Pilzarten, die im Boden existieren und im aktiven Zustand unterstützend auf den sich verändernden Wald wirken könnten. Taxonomisches Expertenwissen und Habitatinformationen, die oftmals nur während den Felduntersuchungen der sichtbaren Fruchtkörper ermittelt werden können, sind auch bei der molekularbiologischen Methode dringend erforderlich, um Sequenzierungsdaten für die Planung und Bewertung von Forstmanagementstrategien im Hinblick auf den Pilzschutz und -erhalt zu interpretieren. Diese Studie zeigte, dass eDNA metabarcoding in Kombination mit der morphologischen Untersuchung zu weiteren hilfreichen Informationen führen kann, unter anderem um ein mögliches Potential an Pilzdiversität im Boden festzustellen. Dennoch ist immer Expertenwissen gefragt, um solche Daten zu erfassen, auszuwerten und zu interpretieren.

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