Genetic variability and health of Norway spruce stands in the Regional Directorate of the State Forests in Krosno

Open access

Abstract

The study was conducted in 2015 in six spruce stands situated in different forest districts administratively belonging to the Regional Directorate of State Forests in Krosno. Each spruce population was represented by 30 trees and assessed in terms of their current health status. Genetic analyses were performed on shoot samples from each tree using nine nuclear DNA markers and one mitochondrial DNA marker (nad1). The health status of the trees was described according to the classification developed by Szczepkowski and Tarasiuk (2005) and the correlation between health classes and the level of genetic variability was computed with STATISTICA (α = 0.05).

Nuclear DNA analyses revealed a low level of genetic variability among spruce populations (only 3% of the total genetic variation (FST = 0.028) and a high variability within populations (97%). The total heterozygosity in all stands (HT) was calculated as 0.646. Based on UPGMA analysis, the most genetically similar populations are spruce stands in the Bieszczady National Park and the Ustrzyki Dolne Forest District, which have the smallest genetic divergence of all populations (DN = 0.0165).

Our analysis of the mitochondrial gene nad1 revealed the presence of six different haplotypes ‘a’, ‘a1’, ‘b’, ‘c’, ‘d’ and ‘d1’. Comprising 56% of all haplotypes, ‘a’ was the most common showing a predominant impact on spruce migration from the Carpathian area. The analysis based on mitochondrial markers (by Nei) revealed a heterozygosity of 0.525.

Based on the observations of disease symptoms, 29% of the trees belong to health class 1, 30% to class 2, 28% to class 3 and class 4 contains 13% of trees. The comparison between health status and the level of genetic variation in the analysed stands showed a positive correlation. Spruce stands with better health were also characterised by a greater degree of genetic variability.

Since most of the investigated spruce populations shared the mitochondrial haplotype ‘a’, we have ascertained their Hercynian–Carpathian origin. Only one stand (Cisna) had a high frequency (43.3%) of the Nordic haplotype ‘c’ suggesting that this provenance is derived from the Baltic post-glacial refugium of P. abies in europe.

If the inline PDF is not rendering correctly, you can download the PDF file here.

  • Borecki T. Miścicki S. Nowakowska J. Wójcik R. 1995. Stan drzewostanów parków narodowych. PIOŚ Biblioteka Monitoringu Środowiska Warszawa.

  • Boratyński A. Bugała W. 1998. Biologia świerka pospolitego. Opracowanie zbiorowe. Bogucki Wydawnictwo Naukowe Poznań.

  • Dering M. Lewandowski A. 2009. Finding the meeting zone: Where have the northern and southern ranges of Norway spruce overlapped? Forest Ecology and Management 259(2): 229–235. DOI 10.1016/j.foreco.2009.10.018.

  • Dzialuk A. Burczyk J. 2005. Intensywność przepływu genów u drzew leśnych. Wiadomości Botaniczne 49(3/4): 15–27.

  • Eriksson G. 2009. Picea abies. Recent Genetic Research. Ed. SLU Uppsala 197. ISBN 91-576-7190-7.

  • Goncharenko G.G. Zadeika I.V. Birgelis J.J. 1995. Genetic structure diversity and differentiation of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) in natural populations of Latvia. Forest Ecology and Management 72(1): 31–38. DOI 10.1016/0378-1127(94)03447-5.

  • Gregorius H.R. 1991. Gene conservation and the preservation of adaptability w: Species conservation: a population-biological approach. (red. A. Seitz V. Loeschke). Birkhauser Basel. 31–47. DOI 10.1007/978-3-0348-6426-8_3.

  • Gugerli F. Sperisen Ch. Büchler U. Magni F. Geburek T. Jeandroz S. Senn J. 2001. Haplotype variation in a mitochondrial tandem repeat of Norway spruce (Picea abies) populations suggests a serious founder effect during postglacial re-colonization of the western Alps. Molecular Ecology 10: 1255–1263. DOI 10.1046/j.1365-294X.2001.01279.x.

  • Hamrick J.L. Godt M.J. Sherman-Broyles S.L. 1992. Factors influencing levels of genetic diversity in woody plant species. New Forests 6: 95–124. DOI 10.1007/978-94-011-2815-5_7.

  • Kowalczyk J. Kahan D. 2010. Wartość hodowlana wybranych rodów sosny zwyczajnej testowanych na powierzchni doświadczalnej w Gubinie. Instytut Badawczy Leśnictwa Sękocin Stary. https://www.nfosigw.gov.pl/download/gfx/nfosigw/pl/.../858/23/1/2010-365.pdf.

  • Lewandowski A. Burczyk J. Chałupka W. 1997. Preliminary results on allozyme diversity and differentiation of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) in Poland based on plus tree investigations. Acta Societatis Botanicorum Poloniae 66(2): 197–200. DOI 10.5586/asbp.1997.025.

  • Lewandowski A. Burczyk J. 2002. Allozyme variation of Picea abies in Poland. Scandinavian Journal of Forest Research 17: 487–494. DOI 10.1080/02827580260417134.

  • Lewandowski A. 2013. Markery mitochondrialnego DNA pomocne w ustaleniu pochodzenia świerka pospolitego w Polsce. Postępy Techniki w Leśnictwie 122: 13–16. ISSN 0562-1445.

  • Lewontin R. C. 1972. The apportionment of human diversity. Evolutionary Biology 6: 381–398. DOI 10.1007/978-1-4684-9063-3_14.

  • Litkowiec M. Dering M. Lewandowski A. 2009. Utility of two mitochondrial markers for identification of Picea abies refugia origin. Dendrobiology 61: 65−71.

  • Luboński P. 2006. Bieszczady. Przewodnik. Oficyna Wydawnicza „Rewasz” Pruszków.

  • Maghuly F. Pinsker W. Praznik W. Fluch S. 2006. Genetic diversity in managed subpopulations of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.). Forest Ecology and Management 232: 266–271. DOI 10.1016/j.foreco.2005.10.025.

  • Marszałek E. 2011. Gospodarka leśna w karpackiej części Regionalnej Dyrekcji Lasów Państwowych w Krośnie i jej wpływ na ochronę przyrody. Roczniki Bieszczadzkie (19): 59–75.

  • Masternak K. Polak-Berecka M. 2014. Polimorfizm izoenzymów świerka pospolitego rasy istebniańskiej tarnawskiej oraz wybranych pochodzeń doświadczenia IPTNS-IUFRO 1964/68 w Krynicy. Sylwan 7: 158.

  • Matras J. 2006. Ochrona leśnych zasobów genowych w: Elementy genetyki i hodowli selekcyjnej drzew leśnych (red. J. Sabor). Centrum Informacyjne Lasów Państwowych Warszawa. 573–577.

  • Matras J. 2013. Ochrona różnorodności genetycznej drzew leśnych. Polish Journal of Argonomy 14: 22–36.

  • Modrzyński J. Prus-Głowacki W. 1998. Isoenzymatic variability in some of the Polish populations of Norway spruce (Picea abies) in the IUFRO-1972 provenance trial. Acta Societatis Botanicorum Poloniae 67(1): 75–82. DOI 10.5586/asbp.1998.010.

  • Müller-Starck G. Baradat Ph. Bergmann F. 1992. Genetic variation within European tree species. New Forests 6: 23–47. DOI 10.1007/BF00120638.

  • Naydenov K. Senneville S. Beaulieu J. Tremblay F. Bousquet J. 2007. Glacial variance in Eurasia: mitochondrial DNA evidence from Scots pine for a complex heritage involving genetically distinct refugia at mid-northern latitudes and Asia Minor. BMC Evolutionary Biology 7: 233.

  • Nei M. 1987. Molecular evolutionary genetics. Columbia University Press New York.

  • Nowakowska J.A. 2006. Zastosowanie markerów DNA (RAPD SSR PCR-RFLP i STS) w genetyce drzew leśnych entomologii fitopatologii i łowiectwie. Leśne Prace Badawcze 1: 73–101.

  • Nowakowska J.A. 2007. Zmienność genetyczna polskich wybranych populacji sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) na podstawie analiz polimorfizmu DNA. Prace Instytutu Badawczego Leśnictwa. Rozprawy i monografie. Sękocin Stary 118. ISBN 978-83-878647-70-4.

  • Nowakowska J.A. 2009. Mitochondrial and nuclear DNA differentiation of Picea abies populations in Poland. Dendrobiology 61: 119–129.

  • Nowakowska J.A. 2011. Application of DNA markers against illegal logging as a new tool for the Forest Guard Service. Folia Forestalia Polonica series A 53(2): 142–149.

  • Nowakowska J.A. Konecka A. 2013. DNA jako narzędzie w badaniach struktury genetycznej drzew leśnych. Postępy Techniki w Leśnictwie 122: 7–12.

  • Nowakowska J.A. Michalska A. Zachara T. 2014. Zmiany w strukturze genetycznej naturalnego odnowienia dębu (Quercus petracea [Matt.] Lieb.) w odniesieniu do drzew matecznych. Sylwan 158(2): 83–89.

  • Nowakowska J.A. Oszako T. 2008. Stan zdrowotny i zróżnicowanie genetyczne buka zwyczajnego w Nadleśnictwie Siewierz na podstawie analiz chloroplastowego DNA. Sylwan 9: 11−20.

  • Nowakowska J.A. Oszako T. 2010. Porównanie zdrowotności drzew leśnych ze stopniem zróżnicowania genetycznego. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 554: 135–146.

  • Orłowski E. 2012. Historia gospodarki leśnej w rejonie Komańczy powstanie i działalność Nadleśnictwa Komańcza w: Historia kultura i tradycja w 500 letniej Komańczy. Wstęp do monografii. Komańcza.

  • Peakall R. Smouse P.E. 2012. GenAlEx 6.501: genetic analysis in Excel. http://biology-assets.anu.edu.au/GenAlEx/Welcome.html.

  • Pfeiffer A. Olivieri A.M. Morgante M. 1997. Identification and characterization of microsatellites in Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.). Genome 40: 411–419.

  • Prus-Głowacki W. Modrzyński J. 2003. Zmienność izoenzymatyczna niektórych polskich populacji świerka (Picea abies (L.) Karst.) z doświadczenia proweniencyjnego IUFRO-1972. Sylwan 147(3): 3–10.

  • Pyhajarvi T. Salmela M.J. Savolainen O. 2008. Colonization routes of Pinus sylvestris inferred from distribution of mitochondrial DNA variation. Tree Genetics and Genomes 4: 247–254.

  • Plan urządzenia lasu dla Nadleśnictwa Cisna na lata 2016–2025. 2016. Biuro Urządzania Lasu i Geodezji Leśnej. Oddział w Przemyślu.

  • Sabor J. Kempf M. Masternak K. 2013. Genetic structure of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) provenances tested in IPTNS-IUFRO 1964/68 experiment in Krynica. Folia Forestalia Polonica 55(1): 10–17. DOI 10.2478/ffp-2013-0002.

  • Scotti I Paglia G Magni F Morgante M. 2002. Efficient development of dinucleotide microsatellite markers in Norway spruce (Picea abies Karst.) through dot-blot selection. Theoretical and Applied Genetics 104: 1035–1041. DOI 10.1007/s00122-001-0843-7.

  • Sierota Z. 1998. Kryteria i metody oceny stanu zdrowotnego drzew i drzewostanów. Prace Instytutu Badań Leśnictwa 854.

  • Sperisen C. Büchler U. Gugerli F. Mátyás G. Geburek T. Vendramin G.G. 2001. Tandem repeats in plant mitochondrial genomes: application to the analysis of population differentiation in the conifer Norway spruce. Molecular Ecology 10(1): 257–263. DOI 10.1046/j.1365-294X.2001.01180.x.

  • Szczepkowski A. Tarasiuk S. 2005. Stan zdrowotny zagrożonych zamieraniem drzewostanów bukowych w Polsce. Acta Scientiarum Polonorum Silvarum Colendarum Ratio et Industria Lignaria 4(1): 71–85.

  • Tamura K. Stecher G. Peterson D. Filipski A. Kumar S. 2013. MEGA6: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 6.0. Molecular Biology and Evolution 30: 2725–2729. DOI 10.1093/molbev/mst197.

  • Wawrzoniak J. Małachowska J. Wójcik J. Liwińska A. 1996. Stan uszkodzenia lasów w Polsce w 1995 roku na podstawie badań monitoringowych. Biblioteka Monitoringu Środowiska Warszawa.

  • Wawrzoniak J. Małachowska J. Wójcik J. Liwińska A. Lech P. Sierota Z. Załęski A. 1997. Stan uszkodzenia lasów w Polsce w 1996 roku na podstawie badań monitoringowych. Biblioteka Monitoringu Środowiska Warszawa.

  • Wawrzoniak J. Małachowska J. Zajączkowski S. Wyrzykowski S. Solon J. Fałtynowicz W. Sierota Z. Załęski A. Kolk A. Lech P. Adamski L. 1999. Stan uszkodzenia lasów w Polsce w 1998 roku na podstawie badań monitoringowych. Biblioteka Monitoringu Środowiska Warszawa.

  • Wawrzoniak J. Małachowska J. Dobrowolski M. Lech P. Kluziński L. Kolk A. Sierota Z. Wójcik J. Załęski A. 2001. Stan uszkodzenia lasów w Polsce w 2000 roku na podstawie badań monitoringowych. Biblioteka Monitoringu Środowiska Warszawa.

  • Wawrzoniak J. Małachowska J. Fałtynowicz W. Janek M. Kluziński L. Kolk A. Lech P. Solon J. Wójcik J. Załęski A.. 2004. Stan uszkodzenia lasów w Polsce w 2003 roku na podstawie badań monitoringowych. Biblioteka Monitoringu Środowiska Warszawa.

  • Wawrzoniak J. Fałtynowicz W. Hildebrand R. Kantorowicz W. Kluziński L. Kowalska A. Lech P. Małachowska J. Pierzgalski E. Piwnicki J. Solon J. Stolarek A. Szczygieł R. Ślusarski S. Tyszka J. Wójcik J. Zajączkowski G. 2014. Stan uszkodzenia lasów w Polsce w 2013 roku na podstawie badań monitoringowych. Instytut Badawczy Leśnictwa Warszawa.

  • Wojnicka-Półtorak A. Celiński K. Chudzińska E. Prus-Głowacki W. Korczyk A. F. 2014. Profil genetyczny najstarszych drzew Picea abies (L.) Karst. w Puszczy Białowieskiej. Sylwan 158(5): 370–376.

  • Zajączkowski S. 1993. Ocena zdrowotnego i sanitarnego stanu lasów w praktyce urządzeniowej. Prace Instytutu Badań Leśnictwa. Seria B 18: 48–54.

  • Zawadzka A. 2011. Identyfikacja gatunkowa modrzewia europejskiego (Larix decidua Mill.) i modrzewia japońskiego (Larix kaempferi Sarg.) na podstawie markerów genetycznych. Rozprawa doktorska. Instytut Badawczy Leśnictwa Warszawa.

  • Zmarz A. Będkowski K. Miścicki S. Plutecki W. 2012. Ocena stanu zdrowotnego świerka na podstawie analizy zdjęć wielospektralnych wykonanych fotograficznymi aparatami cyfrowymi przenoszonymi przez bezzałogowy statek latający. Archiwum Fotogrametrii Kartografii i Teledetekcji 23: 541–550.

  • Zwoliński J. 2003. Ocena zagrożenia lasów świerkowych w Beskidzie Śląskim przez zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego. Prace Instytutu Badawczego Leśnictwa. Seria A 951(1): 53–68.

  • Żółciak A. Oszako T. Sabor J. 2009. Evaluation of the health status of Picea abies provenances growing on the IUFRO 1964/68 experimental plots. Dendrobiology 61: Supplement 63–68.

Search
Journal information
Cited By
Metrics
All Time Past Year Past 30 Days
Abstract Views 0 0 0
Full Text Views 193 90 1
PDF Downloads 104 59 1