Nach dem Forstvermehrungsgutgesetz (FoVG) wird die Schwarzkiefer in drei Varietäten (847 varietas austriaca, 848 varietas calabrica, 849 varietas corsicana) eingeteilt. Dabei werden in Deutschland zwei Herkunftsgebiete (01 Norddeutsches Tiefland, 02 Süddeutschland) ausgewiesen. Eine Einteilung nach Unterarten wurde bisher nicht vorgenommen, sollte aber wegen des großen natürlichen Verbreitungsgebiets und der Anpassung der Populationen an die jeweils herrschenden Standorts- und Umweltbedingungen erfolgen.
Abb. 1: Natürliches Verbreitungsgebiet der Schwarzkiefer mit farblich markierten Unterarten: violett: Pinus nigra subsp. salzmannii; blau: Pinus nigra subsp. laricio; grün: Pinus nigra subsp. nigra; rot: Pinus nigra subsp. dalmatica; gelb: Pinus nigra subsp. pallasiana. Quelle: AWG
Auch anhand von räumlich-genetischen Strukturen kann die Schwarzkiefer nach SCOTTI-SAINTAGNE et al. in sechs Unterarten eingeteilt werden. Folgende Unterarten werden ausgewiesen: Pinus nigra salzmannii, Pinus nigra laricio, Pinus nigra nigra, Pinus nigra pallasiana, Pinus nigra caramanica und Pinus nigra dalmatica. Pinus nigra caramanica wird nach CAUDULLO et al. der Unterart Pinus nigra pallasiana zugeordnet (Abb. 1).
In Bayern gibt es keine autochthonen Vorkommen, da Deutschland außerhalb des natürlichen Verbreitungsgebiets liegt. In Deutschland diente die Schwarzkiefer vor allem der Wiederbewaldung trockener Weidetriften, die sich häufig, aber nicht ausschließlich, auf Karbonatstandorten finden. Hierbei wurde die als frosthart geltende österreichische Schwarzkiefer (Pinus nigra ssp. nigra, var. austriaca) eingesetzt. Schwerpunkte liegen in Thüringen (Saaletal, Jena), im nördlichen Baden-Württemberg (Taubergrund) und auf der Fränkischen Platte in Unterfranken. Kleinere Schwarzkiefernanbauten sind in Bayern aus dem Fränkischen Jura oder der Münchner Schotterebene bekannt. Der Großteil der zugelassenen Erntebestände ist der Unterart nigra (var. austriaca – 847 02) zuzuordnen. Der Ursprung dieser Vorkommen dürfte in Österreich liegen, ist jedoch bei den meisten Beständen nicht dokumentiert. In den letzten Jahren zeigt sich neben den bekannten Waldschutzrisiken bei der Schwarzkiefer zunehmender Befall mit Diplodia-Triebsterben. Das Triebsterben kommt nach der Trockenheit und befällt die geschwächten Koniferen. Bei Schwarzkiefern zeichnen sich bezüglich des Befalls erste Unterschiede ab, die mit der Trockenheitstoleranz einzelner Unterarten/Herkünfte zusammenhängen könnten.
Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, die in zwei verschiedenen Populationen in Deutschland (Bayern) gesammelten Proben mithilfe genetischer Profilierungsmethoden zu identifizieren und zu bestimmen, zu welcher Unterart und Varietät sie zugeordnet werden können. Diagnostische DNA-Marker der verschiedenen Unterarten wurden verwendet, um jedes gesammelte Individuum der wahrscheinlichsten taxonomischen Identität zuzuordnen.
Abb. 2: Die Schwarzkiefer wird im Klimawandel als Alternativbaumart diskutiert. Doch welche Unterarten eignen sich für welchen Standort? Foto: O. Hövelmann
Probenahme
Die Probenahme an 60 Bäumen wurde vom örtlichen Revierleiter in einem gepflanzten Waldbestand bei Leinach und auf einer Versuchsfläche in Bayern durchgeführt. Das für diese Herkunft verwendete Pflanzmaterial wurde aus Saatgut der zugelassenen Samenplantage Mertener Heide produziert. Mitte August 2021 wurde pro Baum ein Zweig gesammelt und an das französische nationale Institut für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt (INRAE), Abteilung für mediterrane Waldökologie (URFM), in Avignon, Frankreich, geschickt.
Genetische Analyse
Die von INRAE-URFM erhaltenen Proben wurden in Avignon aufbereitet und die DNA extrahiert. Referenzproben von acht Bäumen wurden dem Genotypisierungsset hinzugefügt, um einen Vergleich der Genotypisierungs-Reads mit der Referenzdatenbank zu ermöglichen. Die 60 Individuen wurden durch die Methode des Längenpolymorphismus von 13 Mikrosatelliten-DNA-Markern charakterisiert. Die resultierenden Genotypen wurden mit der URFM-Referenzdatenbank für Mikrosatelliten-Genotypen von Schwarzkiefer verglichen, die repräsentative Individuen aller Schwarzkiefern-Unterarten enthält (Tab. 1). Zur weiteren Differenzierung werden die Unterarten Pinus nigra pallasiana und Pinus nigra caramanica separat behandelt.
Tab. 1: Liste der in der genetischen Studie als Referenz verwendeten Unterarten (sub-species).
Statistische Analysen
Es wurden vier unabhängige Methoden verwendet, um die räumlich-genetischen Muster zu beschreiben und darzustellen:
- STRUCTURE: Die erste Zuordnungsmethode, die in der Software STRUCTURE implementiert ist, basiert auf einem Bayes‘ schen Ansatz ohne vorgefasste Vorstellungen über die genetische Struktur der Individuen des Datensatzes. Es wurden mehrere Substrukturniveaus getestet (von k = 1 bis k = 14). Die wahrscheinlichste Anzahl der genetischen Gruppen wurde anhand von zwei Kriterien ermittelt: dem Mittelwert des für jeden Wert von K berechneten Wahrscheinlichkeitsmaximums und dem Wert von DeltaK.
- GeneClass2: Die zweite Zuordnungsmethode ist in der Software GeneClass2 implementiert. Sie besteht darin, die Allele der sechzig beprobten Bäume mit bekannten, für die Unterarten der Schwarzkiefer repräsentativen Referenzen zu vergleichen. Das Ergebnis ist eine Zuordnungsstatistik. Für die Zuordnung eines Baum-Individuums zu einer Referenzpopulation wurde ein strenger Score von 95 % gewählt. Die Leistungsfähigkeit dieser Methode hängt stark von den verfügbaren Referenzpopulationen ab.
- Hauptkomponentenanalyse (PCA): Die dritte Methode bestand aus einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) und dem phylogenetischen Baum. Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) basiert auf Allelhäufigkeitsdaten, um die genetische Differenzierung zwischen allen beprobten Bäumen zusammenzufassen. Die Analyse fasst die Variation über die 13 Loci (212 Allele) zusammen und maximiert die Differenzierung der einzelnen Populationen auf den beiden ersten Achsen (Hauptkomponenten).
- Neighbor-Joining-Tree: Um die statistische Robustheit der erhaltenen Differenzierung zu bewerten, wurde dann der genetische Differenzierungsindex Fst berechnet und ein Neighbor-Joining-Tree mit dem R-Paket von ape erstellt.
Ergebnisse
Die Bayes’sche Clusteranalyse mit der Software STRUCTURE ergab eine mögliche Struktur von vier genetischen Clustern innerhalb der untersuchten Schwarzlieferpopulationen. Die weitere Beobachtung zeigt eine zweite Substruktur mit K=7, die bei der Darstellung der Ergebnisse berücksichtigt wird (Abb. 3).
Abbildung 3 zeigt die genetische Zusammensetzung der 60 beprobten Bäume und den Vergleich mit den Referenz-Proben aus der INRAE- Referenzdatenbank. Jede Farbe steht für eine genetische Gruppe (vier Farben für K = 4, sieben für K = 7). Sie lassen sich zwei verschiedenen genetischen Gruppen zuordnen, wobei mehrere Bäume zwischen den Unterarten vermischt sind. Für den Grad der Zugehörigkeit der zu bewertenden Individuen wurde ein strenger Schwellenwert von 0,8 verwendet, um Individuen ihrer taxonomischen Gruppe zuzuordnen.
Abb. 3: Zuordnungsprüfung der untersuchten Bäume mit STRUCTURE für die zwei K-Werte K4 (oben) und K7 (unten), die in Deutschland beprobt wurden (Germany potL-Leinach, Germany plotP-Provenienz Mertener-Heide). Jede vertikale Linie repräsentiert ein Individuum. Quelle: AWG
Die 60 Untersuchungsbäume lassen sich in zwei klare genetische Gruppen einteilen (Abb. 3). Die erste Gruppe von Bäumen (Leinach, Bäume 1 bis 30, in Blau) entspricht den in der Analyse verwendeten korsischen Pinus-nigra-subsp.-laricio-Referenzen (robuste Ergebnisse sowohl für K = 4 als auch für K = 7). Die zweite Gruppe von Bäumen (Mertener-Heide, Bäume 31 bis 60, in Grün) entspricht den kalabrischen Pinus-nigra-subsp.-laricio-Referenzen nur für K = 4. Die für K = 7 beobachtete Substruktur scheint auf eine kalabrische Herkunft hinzuweisen, die in den für die Studie verwendeten Referenzen nicht vertreten ist. Von den 60 beprobten Bäumen waren 12 mutmaßliche Hybriden.
Für die grafische Darstellung der Ergebnisse wurde ein Neighbor-Joining-Tree verwendet. Abbildung 4 zeigt, dass die geringste genetische Differenzierung zwischen Parzelle L (Leinach) und den Referenzpopulationen bei der korsischen Pinus-nigra-subsp.-laricio-Gruppe liegt (Fst = 0,01; Fst > 0,06 bei anderen Referenzen). Die geringste genetische Differenzierung zwischen der Parzelle P (Mertener-Heide) und den Referenzpopulationen besteht bei der kalabrischen Pinus nigra subsp. laricio-Gruppe (Fst = 0,06; Fst > 0,08 bei anderen Referenzen).
Abb. 4: Neighbor-Joining-Tree unter Verwendung des R-Pakets ape: Die Distanzmatrix, die zur Erstellung des Baums verwendet wird, verwendet Fst. Quelle: AWG
Diskussion und Folgerungen
In der vorliegenden Untersuchung wurden die Varietäten Pinus nigra nigra var. austriaca und Pinus nigra laricio var. calabrica und corsicana verglichen. In verschiedenen Schwarzkiefer-Herkunftsversuchen konnten deutliche Unterschiede zwischen den Herkünften und Unterarten nachgewiesen werden.
Im Herkunftsgebiet 847 01 Norddeutsches Tiefland sind fünf Saatguterntebestände auf einer reduzierten Fläche von 10,2 ha und eine Samenplantage auf einer Fläche von 2,2 ha zugelassen. Im zweiten Herkunftsgebiet 847 02 Übriges Bundesgebiet sind 87 Saatguterntebestände auf einer Fläche von 483 ha zugelassen. Des Weiteren sind vier Samenplantagen auf einer Fläche von 4 ha zugelassen. Die meisten zugelassenen Ernteeinheiten werden der Unterart nigra, var. austriaca (847 02) zugeordnet. In beiden Herkunftsgebieten wurden nur einzelne Bestände der Unterart laricio, var. calabrica und corsicana (848 und 849) ausgewiesen.
Bei der Schwarzkiefer konnten in den letzten Jahren zunehmend Vitalitätsverluste durch den Befall mit Diplodia-Triebsterben beobachtet werden. Einzelne Herkünfte scheinen jedoch deutlich weniger Gefährdungen ausgesetzt. Im Leinacher Schwarzkiefernwald wurden 30 Bäume beprobt, die keine Vitalitätsverluste zeigten. Daneben wurde eine Herkunft auf den Schwarzkiefern-Versuchsflächen beprobt, die sich durch ihr überdurchschnittliches Wachstum auszeichnet. Beide Populationen wurden bisher der Pinus nigra nigra zugeordnet. Bei beiden Populationen lag die Annahme vor, dass es sich um eine andere Unterart handelt, die mit den Trockenperioden der letzten Jahre besser zurechtkommt. Eine stichprobenartige Überprüfung von jeweils 30 Individuen sollte eine erste Übersicht liefern.
Die Ergebnisse der einzelnen taxonomischen Zuordnungen anhand der kombinierten Analyse ergaben, dass die 60 untersuchten Bäume größtenteils Pinus nigra subsp. laricio zugeordnet werden können. Davon können 20 Bäume Pinus nigra subsp. laricio aus Korsika zugeordnet werden, 28 Bäume einer unbekannten Herkunft von Pinus nigra subsp. laricio, wahrscheinlich aus Kalabrien und 12 Bäume sind mutmaßlich Hybriden. Die beiden Bestände, aus denen die Proben in Bayern gesammelt wurden, bilden zwei unterschiedliche genetische Gruppen, wobei Leinach eine allgemeine Verbindung zur korsischen Schwarzkiefernunterart Pinus nigra subsp. laricio var. corsicana und Mertener-Heide eine allgemeine Verbindung zur kalabrischen Schwarzkiefernunterart Pinus nigra subsp. laricio var. calabrica aufweist. Eine mögliche Erklärung für dieses Ergebnis ist, dass die Plusbäume, die zur Anlage der beiden untersuchten Waldbestände verwendet wurden, in einem oder mehreren Arboreten standen oder selbst bereits vermischt waren.
Beide Ernteeinheiten sollten vollständig untersucht werden. Nach dem Vorliegen der Ergebnisse sollte über die weiteren Schritte mit den zuständigen Landesstellen nach FoVG beraten werden. Gerade bei trockenheitstoleranten nicht heimischen Baumarten (z. B. Douglasie, Schwarzkiefer, Roteiche) besteht Handlungsbedarf und es sollte eine genetische Überprüfung der zugelassenen Ernteeinheiten erfolgen. Neben der taxonomischen Zuordnung sollten die Bestände eine hohe genetische Vielfalt und Diversität aufweisen, damit eine Anpassung an die sich schnell ändernden Klimabedingungen erfolgen kann.
Beim Anbau der Schwarzkiefer sollte hochwertiges und herkunftssicheres Vermehrungsgut verwendet werden. Vor allem Vermehrungsgut der Kategorien "Geprüft" und "Qualifiziert", das aus Samenplantagen und Saatguterntebeständen stammt und am Markt verfügbar ist, sollte stärker genutzt werden. Für die Unterarten nigra und laricio sind entsprechende Saatgutquellen in Deutschland und Frankreich vorhanden. In Bayern werden diese bereits in den neuen Herkunfts- und Verwendungsempfehlungen empfohlen und können verwendet werden.
