Ekologie a genetická variabilita Rumex alpinus L.

Ing. Ing. Michaela Jungová, DiS.

Doctoral thesis

Ecology and genetic variability of Rumex alpinus L.

Abstract:

Rumex alpinus L. (R. alpinus) představuje nepůvodní a invazní rostlinu v Krkonoších a v dalších pohořích České republiky. Vzhledem k důležitosti porozumění nejen chování, ale i ekologii invazních rostlin a jejich genetické variability, bylo rozhodnuto zaměřit se v disertační práci právě na toto téma. Získané informace pak mohou přispět ke stanovení účinných strategií managementu v boji proti tomuto invaznímu druhu. Dosud nebyla podrobně popsána ekologie R. alpinus, včetně resorpce a využití živin, akumulace mikro a makroprvků v rostlinných orgánech, a to vše v souvislosti s místními podmínkami výskytu. Vzhledem k tomu, že se R. alpinus převážně vyskytuje na eutrofních půdách, je důležité porozumět jeho přesným nutričním požadavkům a způsobům jejich využití (Výsledek 1: Jungová et al. 2023, Journal of Soil Science and Plant Nutrition volume 23, 469–484). Výsledky ukázaly vysokou variabilitu obsahu totálních a rostlinami přístupných makroprvků v půdách a mezi lokalitami. Byl pozorován významný vliv lokalit na obsah makroprvků v různých orgánech R. alpinus, což naznačuje rozdíly ve výživě. R. alpinus vykazoval vyšší obsah N a P v mladých a dospělých listech než v senescentních, ve srovnání s Ca a Mg. Poměry N:P a N:K v mladých listech se pohybovaly v normálním rozmezí, ale naznačovaly relativně vyšší poptávku po fosforu. Průměrná účinnost resorpce N, P a K byla u mladých listů 52 %, 50 % a 22 %, což je nižší než u většiny suchozemských rostlin (62 %, 65 % a 70 %). Relativně vysoká dostupnost makroelementů v půdě a nízká účinnost resorpce N, P a K naznačuje, že R. alpinus je druh s vysokou poptávkou po N, P a zejména pak po K. Vzhledem k tomu, že se R. alpinus vyskytuje převážně na antropogenně ovlivněných půdách, které mohou být kontaminovány rizikovými prvky i v horských oblastech, bylo důležité zjistit, zda tato rostlina tyto prvky akumuluje. To je zvláště relevantní v souvislosti s tím, že se R. alpinus stále využívá jako zelenina či krmivo na Balkánském poloostrově a v Karpatech (Výsledek 2: Jungová et al. 2022, Plant and Soil 477, 553–575). Výsledky ukázaly, že úroveň akumulace rizikových prvků u R. alpinus byla výrazně odlišná v závislosti na místním geologickém podloží a environmentálních podmínkách. R. alpinus projevoval vysokou toleranci vůči Zn, Cu, As, Cr a Ni a snadnou akumulační strategii. Vysoký obsah Al a Cd v podzemní biomase (oddenky) naznačuje obranný mechanismus pro tyto prvky. Přestože nadzemní biomasa (vzcházející, zralé, senescentní listy a řapíky) vykazuje určitou míru akumulace rizikových prvků, výsledky ukázaly, že R. alpinus je druhem s excluder strategií. R. alpinus neakumuluje rizikové prvky v orgánech (vzcházející, zralé listy a řapíky), které se konzumují v souladu s přípustným limitem stanoveným Světovou zdravotnickou organizací (WHO 2001) a tyto orgány tedy mohou být používány bez obav. Historická literatura uvádí, že R. alpinus byl pravděpodobně introdukován do Krkonoš v 16. století kolonisty z Alp. Na druhou stranu je tato rostlina považována za domácí druh v polských Krkonoších. Byla položena hypotéza, odkud se tedy R. alpinus do Krkonoš dostal - z Alp nebo z Polska (Výsledek 3: Jungová et al. 2023, Ecology and Evolution, 13:e10145).Výsledky analýzy molekulární variance (AMOVA) ukázaly vysokou variabilitu (60 %) uvnitř populací, 27 % variabilitu mezi skupinami (horami) a 13 % mezi populacemi uvnitř skupin (hor). Celková genetická rozmanitost byla vysoká (̂ĥ = 0,55). Vyšší úroveň genetické diferenciace mezi populacemi (FST = 0.35; p < 0,01) naznačovala omezený genetický tok mezi populacemi. V porovnání s původními populac

Abstract:

emi byla pozorována omezená genetická variabilita v nepůvodních populacích R. alpinus. Bylo závěrem konstatováno, že místní adaptace, nízká genová výměna a bottleneck efekt ovlivnily genetickou rozmanitost nepůvodního druhu R. alpinus. Výsledky dále podporují genetickou spojitost mezi alpskými a českými genotypy R. alpinus, zatímco genotypy z Karpat odpovídaly balkánskému genotypu.

Abstract:

Rumex alpinus L. (R. alpinus) is a nonnative and invasive plant in the Krkonoše Mountains and other mountain ranges of the Czech Republic. Given the importance of understanding not only the behavior but also the ecology of invasive plants and their genetic variability, it was decided to focus on this topic in the doctoral thesis. The information obtained can then contribute to the establishment of effective management strategies in combating this invasive species. The ecology, or the nutrient requirements and accumulation of micro and macro elements in the organs of R. alpinus in relation to its habitat conditions, has not been described thus far. Given that R. alpinus is predominantly found in eutrophicated soils, it is crucial to understand its precise nutrient requirements and how to manage them (Paper 1: Jungová et al. 2023, Journal of Soil Science and Plant Nutrition volume 23, 469–484). The results showed the contents of total and plant available macroelements in the soils refected high variability with localities. There was a significant effect of locality and plant organs on the element contents, indicating differences in nutrition. R. alpinus exhibited higher N and P contents in emerging and mature leaves than in the senescent compared to Ca and Mg. The N:P and N:K ratios in the mature leaves were within the normal range but were indicative of comparatively higher demand for P. The mean resorption efficiency for N, P, and K in mature leaves was 52, 50, and 22%, respectively, lower than values for most terrestrial plants (62, 65, and 70%). The relatively high availability of macroelements in soils and plant organs with low N, P, and K resorption efficiency indicates a high N, P, and especially K-demanding species of R. alpinus. Considering that R. alpinus is a plant-primarily occurring on anthropogenically influenced soils, which can be contaminated with risk elements even in mountainous areas, it is important to know whether this plant accumulates them. This is particularly relevant as R. alpinus is still utilized as a vegetable or fodder in the Balkan Peninsula and the Carpathians (Paper 2: Jungová et al. 2022, Plant and Soil 477, 553–575). The results showed the level of elements accumulation by R. alpinus was considerably different, depending on local geological substrates and environmental conditions. R. alpinus has considerable tolerance to Zn, Cu, As, Cr, Ni, with an easy accumulation strategy. High Al and Cd content in belowground biomass (rhizome) indicates a defensive mechanism for them. Although the aboveground biomass (emerging, senescent, mature leaves, petiole) has some degree of accumulation of risk elements, the results showed that R. alpinus is an excluder. R. alpinus does not accumulate risk elements in organs (leaf and petiole) that are consumed based on the permissible limit according to World Health Organization (2001) and can therefore be used without concern. Furthermore, historical literature suggests that R. alpinus was likely introduced to the Czech mountains by colonists from the Alps in the 16th century. At the same time, it is considered a native species in the Polish Krkonoše Mountains. Therefore, we also raise the question of how R. alpinus made its way to the Krkonoše Mountains - from the Alps or from Poland (Paper 3: Jungová et al. 2023, Ecology and Evolution, 13:e10145).The results of AMOVA showed a high 60% variation within populations, 27% variation among groups (mountains), and 13% among the population within groups (mountains). The overall unbiased gene diversity was high (̂ĥ = 0.55). The higher level of genetic differentiation among populations (FST = 0.35; p < 0.01) indicated restricted gene flow between populations. Compared to native populations, limited genetic variability was observed in the nonnative populations. It was concluded that local adaptation, low gene exchange, and genetic drift affected the genetic diversity of nonnative R. alpinus. The results suppor

Abstract:

t a genetic link between the Alpine and Czech genotypes of R. alpinus, while the Carpathians genotypes corresponded to the Balkan genotype.

Keywords

mikro a makroprvky, absorpce živin, genetická variabilita, invazní rostliny, plevele

Keywords

micro and macroelements, nutrient resorption, genetic variability, invasive plant, weed species

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 10. 2023

Thesis defence

• Supervisor: prof. Dr. Ing. Vilém Pavlů
• Reader: Jan Štrobach, externi, František Krahulec, Ing., externi, Zdenka Martinková, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Doctoral programme / field:
Ecology / Ecology