The relationship between stem-form, stand-closure and site -conditions : the influence of environmental conditions on tree allometry and forest structure in west-central Alberta

Changes in the configuration of a tree stern result insignificant differences in its total volume and in the proportion of that volume that is merchantable timber. Tree allometry, as represented by stem-fo~, is the result of the vertical force of gravity and the horizontal force of wind. The effect of wind force is demonstrated in the relationship between stem-form, standclosure and site-conditions. An increase in wind force on the individual tree due to a decrease in stand density should produce a more tapered tree. The density of the stand is determined by the conditions that the trees are growing under. The ability of the tree to respond to increased wind force may also be a function of these conditions . This stem-form/stand-closure/site-conditions relationship was examined using a pre-existing database from westcentral Alberta. This database consisted of environmental, vegetation, soils and timber data covering a wide range of sites. There were 653 sample trees with 82 variables that formed the basis of the analysis. There were eight tree species consisting of Pinus contorta, Picea mariana, Picea engelmannii x glauca, Abies lasiocarpa, Larix laricina, Populus tremuloides, Betula papyrifera and Populus balsamifera plus a comprehensive all-species data set. As the actual conformation of the stern is very individual, stem-fo~was represented by the diameter at breast height to total height r~tio. The four stand-closure variables, crown closure, total basal area, total volume and total number of stems were reduced to total basal area and total number of stems utilizing a bivariate correlation matrix by species. Site-conditions were subdivided into macro, meso and micro variables and reduced in number 3 using cross-tabulations, bivariate correlation and principal components analysis as screening tools. The stem-fo~/stand-closure relationship was examined using bivariate correlation coefficients for stem-fo~ with total number of stems and stem-fo~ with total basal area. The stem-fo~/site-conditions and the stand-closure/site- conditions relationships were examined using multiple correlation coefficients. The stem-form/stand-closure/site-conditions relationship was examined using multiple correlation coefficients in separate analyses for both total number of stems and total basal area. An increase in stand-closure produced a decrease in stem-form for both total number of stems and total basal area for most species. There was a significant relationship between stem-form and site-conditions and between stand-closure and site-conditions for both total number of stems and total basal area for most species. There was a significant relationship between the stemform and site-conditions, including the stand-closure, for most species; total number of stems was involved independently of the site-conditions in the prediction of stem-form and total basal area was not. Larix laricina and Betula papyrifera were the exceptions to the trends observed with most species. The influence of both stand-closure (total number of stems in particular) and site-conditions (elevation in particular) suggest that forest management practices should include these- ecological parameters in determining appropriate restocking levels.

Évaluation de l’effet antidiabétique de plantes médicinales de la forêt boréale et identification des principes actifs de deux espèces prometteuses

Le diabète de type 2 est une maladie chronique dont l’incidence est en augmentation continuelle. Le risque de développer le diabète de type 2 chez les populations autochtones du Canada est de trois à cinq fois plus élevé que le reste de la population canadienne. La forêt boréale comporte plusieurs plantes médicinales ayant un potentiel pour le traitement ou la prévention du diabète. Certaines de ces plantes font partie de la médecine traditionnelle et alternative Crie. Des enquêtes ethnobotaniques ont amené notre équipe de recherche à identifier 17 extraits de plantes médicinales utilisées par les Cris d’Eeyou Istchee (Baie James, Québec) pour traiter les symptômes du diabète. Parmi ces extraits, certains ont montré des activités anti-diabétiques au niveau des cellules musculaires, des adipocytes et dans des études in vivo réalisées chez des animaux. Le but de cette thèse est d’élucider l’effet de ces 17 plantes sur l’homéostasie hépatique de glucose, d’identifier l’espèce la plus prometteuse et isoler ces constituants actifs. De même, le bleuet nain du genre Vaccinium angustifolium fait partie de la forêt boréale canadienne et est connu pour ses activités anti-diabétiques. Une biotransformation du jus de bleuet lui confère une activité antioxydante accrue et un profil biologique différent. Le deuxième but de cette thèse est d’élucider les mécanismes d’action par lesquels le jus de bleuet biotransformé (BJ) exerce son effet anti-diabétique et d’identifier ses principes actifs. Les résultats ont montré que trois extraits de plantes Cris se sont démarqués par leur effet sur l’homéostasie hépatique de glucose. Picea glauca exerce son effet en diminuant la production de glucose alors que Larix laricina agit en augmentant le stockage de glucose. Abies balsamea a montré le profil le plus prometteur, elle agit simultanément en diminuant l’activité de la Glucose-6-phosphatase (G6Pase) via la stimulation des voies insulino-dépendante et - indépendante et en augmentant l’activité de la Glycogène synthétase (GS) suite à la phosphorylation de la Glycogène synthase kinase-3. Le fractionnement de l’extrait d’Abies balsamea guidé par les deux bioessais a mené à l’isolation de trois composés actifs; l’acide abiétique (AA), l’acide déhydroabiétique (DAA) et le squalène (SQ). Les principes actifs ont montré le même mécanisme d’action que l’extrait brut en diminuant l’activité de la G6Pase et augmentant celle de la GS ainsi qu’en activant les voies de signalisation impliquées. Le DAA ii s’est démarqué par son effet le plus puissant et très comparable à celui de l’extrait d’Abies balsamea dans toutes les expériences. De son côté le BJ a montré un effet sur la diminution de la production hépatique de glucose, l’augmentation de son stockage ainsi que l’augmentation de son transport dans le muscle. Son fractionnement guidé par les bioessais a permis d’isoler sept fractions dont trois étaient les plus actives. L’identification des constituants de ces fractions actives a mené à isoler quatres composés phénoliques; l’acide chlorogénique, l’acide gallique, l’acide protocatéchique et le catéchol. Le catéchol s’est démarqué avec ses effets les plus puissants en diminuant l’activité de la G6Pase, augmentant celle de la GS et en stimulant le transport de glucose dans le muscle. Les résultats de cette thèse indiquent que la diminution de la production hépatique de glucose peut s’ajouter au profil anti-diabétique de certaines plantes médicinales Cries et surtout à celui d’A.balsamea dont les composés actifs peuvent aider dans le développement de nouvelles molécules anti-diabétiques. De plus, les résultats de cette thèse ont montré que l’activité antidiabétique du BJ implique le contrôle de l’homéostasie de glucose au niveau du foie et du muscle. L’identification du catéchol comme principe actif avec potentiel anti-diabétique prometteur pourra servir pour des fins thérapeutiques ultérieures.

Molekulare Systematik der Gattung Suaeda (Chenopodiaceae) und Evolution des C4-Photosynthesesyndroms

Mit der vorliegenden Arbeit wird eine Synthese aus molekularer Phylogenie und Merkmalsentwicklung für die Unterfamilie Suaedoideae der Chenopodiaceae präsentiert. Anhand von rekonstruierten Stammbäumen aus den Sequenzunterschieden von DNA-Abschnitten zweier unabhängiger Genome (Kern, Chloroplast) werden monophyletische Gruppen herausgearbeitet und die Variabilität der molekularen Merkmale in Bezug auf die bekannten Arten diskutiert. Insgesamt wurden für alle molekularen Analysen 294 Sequenzen ausgewertet. Mit 254 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Suaedoideae und 18 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Salicornioideae wurde eine vergleichende molekulare Analyse mit den DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH durchgeführt. Mit der Einbeziehung von ca. 65 bekannten Suaeda-Arten sind damit je nach Artauffassung bis zu 80% aller Arten der Gattung berücksichtigt. Mittels Fossildaten werden die wichtigsten Divergenzereignisse zeitlich fixiert. Die molekularen Stammbäume dienen weiterhin als Grundlage für die Bewertung der Arten sowie ihrer morphologischen und anatomischen Merkmale. Ein wichtiger Aspekt bildet dabei die Entwicklung der C4-Photosynthese mit den zugehörigen Blatttypen. Die folgenden vier Themenkomplexe bzw. Fragestellungen sollten bearbeitet werden (für ausführliche Darstellung vgl. Kap. 1.3): 1. Monophyletische Gruppen und ihre Beziehungen 2. Prinzipien der Evolution und Artbildung in der untersuchten Gruppe, Abgrenzung der Arten. 3. Entwicklung des C4-Photosynthesesyndroms 4. Entwicklung und Variabilität systematisch relevanter Merkmale Die Ergebnisse der auf vergleichender DNA-Sequenzierung beruhenden molekularen Analyse und die Synthese mit weiteren Daten führen als Resultat der vorliegenden Arbeit zusammenfassend zu folgenden Ergebnissen: 1.) Die drei sequenzierten DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH zeigen im Vergleich eine sehr unterschiedliche Variabilität, ITS ist die variabelste aller Regionen. Die in den Alignments gefundenen Merkmale in Form von Punkt- und Längenmutationen zwischen den Einzelsequenzen waren zahlenmäßig ausreichend und qualitativ geeignet, um mit den drei Verfahren Maximum Parsimony, Maximum Likelihood und Bayes’scher Analyse aussagekräftige und in wesentlichen Aussagen kongruente molekulare Phylogenien zu rekonstruieren. Die Chloroplasten-Daten wurden für die Berechnungen kombiniert. 2.) Die beiden DNA-Regionen ITS und atpB-rbcL evolvieren mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die mit der Glättungsmethode PL berechneten durchschnittlichen Substitutionsraten weisen für ITS eine 5,5fach höhere Substitutionsrate gegenüber atpB-rbcL nach. Die ITS-Sequenzen sind daher wesentlich diverser und für einige Sippen, bei identischen atpB-rbcL-Sequenzen, unterschiedlich. Eine direkte Homologisierung von molekularer und morphologischer Variabilität oder die molekulare Limitierung von Arten ist daher nur in einigen Fällen möglich. 3.) Die Gattungen Suaeda, Alexandra und Borszczowia bilden eine monophyletische Gruppe, die den Salicornioideae als Schwestergruppe gegenübersteht. Dies bestätigt die Ergebnisse der Phylogenie der Chenopodiaceae (Kadereit et al. 2003). Im traditionellen Verständnis ist damit die Gattung Suaeda paraphyletisch. Durch taxonomische Umkombination (Schütze et al. 2003. Kapralov et al. 2006) werden die Gattungen Alexandra und Borszczowia in Suaeda eingegliedert, womit das Monophylie-Kriterium für die Gattung wieder erfüllt ist. Die molekularen Daten unterstützen diese nomenklatorische Neubewertung. Der nachfolgend verwendete Gattungsname Suaeda bezieht sich auf die neue Fassung. 4.) Bienertia gehört nicht in die unter 2.) beschriebene monophyletische Gruppe. Die Stellung dieser Gattung ist intermediär. Im ITS-Baum bildet sie die Schwestergruppe zu den Salicornioideae, im Chloroplasten-Baum diejenige zu Suaeda. Da Bienertia aufgrund morphologischer Merkmale Suaeda ähnlicher ist als den Salicornioideae wird sie in die intern neu gegliederte Unterfamilie der Suaedoideae einbezogen, die weitgehend der in Ulbrich (1934) vertretenen Auffassung entspricht. 5.) Suaeda teilt sich in zwei sehr deutlich getrennte Gruppen, die in einer neuen Gliederung als Untergattungen Brezia und Suaeda definiert werden. Die Trennung datiert mit etwa 30 Mio. Jahren in das Oligozän. Zur Untergattung Brezia gehören alle Arten der Sektion Brezia nach bisheriger taxonomischer Auffassung, die Untergattung Suaeda vereint alle übrigen Arten und wird in weitere Sektionen untergliedert. 6.) Die Untergattung bzw. Sektion Brezia zeigt im ITS-Baum eine deutliche Dreigliederung in 3 Subclades, die allerdings von den Chloroplasten-Bäumen nicht verifiziert wird und auch durch morphologische Merkmale nicht zu rechtfertigen ist. Die Subclades der Untergattung Suaeda entsprechen in Grundzügen den bisherigen Sektionen und sind durch synapomorphe Merkmale gekennzeichnet. Für die Gattung Suaeda leiten sich nach monophyletischen Gruppen oder singulären Linien folgende Sektionen ab: Brezia, Alexandra, Borszczowia, Schanginia, Schoberia Salsina (inkl. der früheren Sektionen Limbogermen, Immersa und Macrosuaeda), Suaeda, Physophora und Glauca (neu). 7.) Hybridisierung und Polyploidisierung sind wichtige Prozesse der sympatrischen Artbildung innerhalb der Suaedoideae und waren wahrscheinlich immer mit Arealerweiterungen gekoppelt. Mehrere Linien sind durch Vervielfachung des Chromosomensatzes charakterisiert, wobei auch die recht seltene Form der Dekaploidie erreicht wird. Vieles spricht dafür, dass sowohl Auto- als auch Allopolyploidie eine Rolle spielt. Auf Autopolyplodie beruhen höchstwahrscheinlich die unterschiedlichen Chromosomenrassen von S. corniculata. Durch Inkongruenzen zwischen Chloroplasten- und ITS (Kern)-Stammbäumen konnten einige Arten mit hoher Wahrscheinlichkeit als etablierte, allopolyploide Hybridsippen identifiziert werden (Suaeda kulundensis, S. sibirica). Es ist damit erwiesen, dass die Diversifizierung durch retikulate Evolution beeinflusst wird. 8.) Die Ergebnisse der molekularen Phylogenien belegen sehr deutlich, dass sich die C4-Photosynthese innerhalb der Suaedoideae viermal unabhängig mit vier vollkommen unterschiedlichen Blatttypen entwickelt hat. Dazu gehören zwei Blatttypen mit single cell C4-photosynthesis, ein bis vor kurzem bei Landpflanzen unbekanntes Phänomen. Innerhalb der Sektionen Schoberia, Salsina und Borszczowia datiert die Entstehung in das späte Miozän, bei Bienertia entstand die C4-Photosynthese möglicherweise noch früher. 9.) Als systematisch äußerst bedeutsame Merkmale haben sich die schon von Iljin (1936a) benutzten Pistill-Formen sowie spezifische Blattmerkmale herausgestellt. Mit diesen Merkmalen können Sektionen, die auf monophyletischen Gruppen beruhen, gut definiert werden. Synapomorphe Merkmale des Pistills sind die Zahl und Ausbildung der Narben sowie die Form ihrer Insertion im Ovar. Bei den Blatttypen sind es vor allem die vier histologisch hoch differenzierten C4-Blatttypen, die als gemeinsam abgeleitetes Merkmal rezenter, teilweise aufgespaltener Linien gewertet werden. 10.) Die früher z.T. überbewerteten Merkmale des Perianths (Verwachsungen, Flügel, Anhänge und Umbildungen) können nur zur Beschreibung einzelner Sippen oder lokaler Gruppen herangezogen werden. Ebenso ist das Merkmal der Lebensformen (Therophyten, Chamaephyten) kaum zur Charakterisierung von Gruppen geeignet. Wie das Beispiel Brezia sehr deutlich zeigt, kam es allein in dieser Gruppe mehrfach zur Entwicklung ausdauernder, verholzender Sippen. Der umgekehrte Prozess fand bei der Entstehung der annuellen S. aegyptiaca und S. arcuata statt. Mit Hilfe von DNA-basierten Stammbäumen ist es in der vorliegenden Arbeit möglich geworden, die evolutionäre Geschichte der Gattung nachzuzeichnen und eine auf monophyletischen Gruppen basierende Gliederung abzuleiten. Damit wird eine Grundlage für ein verbessertes Artkonzept der Gattung Suaeda geschaffen. Für die praktische Taxonomie ist dies aber nur teilweise bedeutend. Die morphologisch nachvollziehbare Abgrenzung von Arten bleibt, gerade in den diversen Sektionen Brezia und Salsina, umstritten und kaum nachvollziehbar. Ein Großteil der Arten hat offenbar keine interspezifischen Kompatibilitätsschranken, es handelt sich daher um Morpho- oder Semispecies, möglicherweise sogar nur geographische Rassen, die allerdings mit schnell evolvierenden DNA-Regionen wie ITS differenzierbar sind. Ausgehend von den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit verbleibt genügend Raum für weiterführende, vertiefende systematische und populationsbiologische Studien.

Seed survival in Chilean Nothofagus in response to desiccation and storage

Nothofagus alpina, N. obliqua, N. glauca, N. leonii, N. dombeyi and N. pumilio seeds exhibited consistent, albeit slight, sensitivity to extreme desiccation, but nevertheless maintained viability at low moisture contents and cool temperatures (-10 degrees to -20 degrees C) over 2 years. Nothofagus alpina, N. obliqua, N. glauca, N. leonii and N. dombeyi conformed to the seed viability equation of Ellis and Roberts; sensitivity of longevity to temperature was quantitatively similar to that of crop seeds, sensitivity to moisture was somewhat less, and a low-moisture-content limit to the equation was detected at 4.8% moisture content in hermetic storage at 65 degrees C, and possibly similar moisture contents at 30-40 degrees C. These five species show orthodox seed storage behaviour. Therefore, ex-situ conservation of these Nothofagus species in seed banks is possible, but the quality of seed lots collected requires attention. Seed storage behaviour was not defined in N. pumilio: initial seed quality was poor and loss of viability was detected over 2 years at 0 degrees, -10 degrees and -20 degrees C at 2.7% moisture content, but not at 5.2%. The results confirm that the economy of nature in seed storage physiology extends to forest tree seeds, but the repeated observation of reduced sensitivity of longevity to moisture in forest tree seeds requires further investigation.

Genetic evidence of frequent long-distance recruitment in a vertebrate-dispersed tree

The importance of dispersal for the maintenance of biodiversity, while long-recognized, has remained unresolved. We used molecular markers to measure effective dispersal in a natural population of the vertebrate-dispersed Neotropical tree, Simarouba amara (Simaroubaceae) by comparing the distances between maternal parents and their offspring and comparing gene movement via seed and pollen in the 50 ha plot of the Barro Colorado Island forest, Central Panama. In all cases (parent-pair, mother-offspring, father-offspring, sib-sib) distances between related pairs were significantly greater than distances to nearest possible neighbours within each category. Long-distance seedling establishment was frequent: 74% of assigned seedlings established > 100 m from the maternal parent [mean = 392 +/- 234.6 m (SD), range = 9.3-1000.5 m] and pollen-mediated gene flow was comparable to that of seed [mean = 345.0 +/- 157.7 m (SD), range 57.6-739.7 m]. For S. amara we found approximately a 10-fold difference between distances estimated by inverse modelling and mean seedling recruitment distances (39 m vs. 392 m). Our findings have important implications for future studies in forest demography and regeneration, with most seedlings establishing at distances far exceeding those demonstrated by negative density-dependent effects.

Local adaptation in migrated interior Douglas-fir seedlings is mediated by ectomycorrhizas and other soil factors

Separating edaphic impacts on tree distributions from those of climate and geography is notoriously difficult. Aboveground and belowground factors play important roles, and determining their relative contribution to tree success will greatly assist in refining predictive models and forestry strategies in a changing climate. In a common glasshouse, seedlings of interior Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii var. glauca) from multiple populations were grown in multiple forest soils. Fungicide was applied to half of the seedlings to separate soil fungal and nonfungal impacts on seedling performance. Soils of varying geographic and climatic distance from seed origin were compared, using a transfer function approach. Seedling height and biomass were optimized following seed transfer into drier soils, whereas survival was optimized when elevation transfer was minimised. Fungicide application reduced ectomycorrhizal root colonization by c. 50%, with treated seedlings exhibiting greater survival but reduced biomass. Local adaptation of Douglas-fir populations to soils was mediated by soil fungi to some extent in 56% of soil origin by response variable combinations. Mediation by edaphic factors in general occurred in 81% of combinations. Soil biota, hitherto unaccounted for in climate models, interacts with biogeography to influence plant ranges in a changing climate.