The geographic distribution throughout Europe of each of 32 chloroplast DNA variants belonging to eight white oak species sampled from 2613 populations is presented. Clear-cut geographic patterns were revealed by the survey. These distributions, together with the available palynological information, were used to infer colonisation routes out of the glacial period refugia. In western Europe in particular, movements out of the Iberian and the Italian Peninsulas can be clearly identified. Separate refugia are also present in eastern Balkans, whereas further west in this peninsula similarities with Italy were evident. Movements resulting in the exchange of haplotypes between refugia both during the present interglacial and probably also during earlier glacial cycles were therefore inferred. The consequences of these past exchanges is that phylogenetically divergent haplotypes have sometimes followed very similar colonisation routes, limiting somewhat the phylogeographic structure. Cases of geographic disjunction in the present-day distribution of haplotypes are also apparent and could have been induced by the existence of rapid climatic changes at the end of the glacial period (specifically the Younger Dryas cold period), which resulted in range restriction following an early warm period during which oak first expanded from its primary refugia. This cold phase was followed by a new period of expansion at the outset of the Holocene, involving in some cases ‘secondary’ refugia. It is expected that these short climate oscillations would have led to a partial reshuffling of haplotype distribution. Early association between haplotypes and oak species are also suggested by the data, although extensive introgression among species has ultimately largely blurred the pattern. This implies that colonisation routes may have been initially constrained by the ecological characteristics of the species hosting each chloroplast variant. We suggest for instance that two oak species distributed in the north of the Iberian Peninsula (Quercus petraea and Q. pubescens) are recent post-glacial immigrants there. When considered together, conclusions on the location of glacial period refugia and the colonisation routes derived from molecular information and fossil pollen data appear to be both largely compatible and complementary.

A consortium of 16 laboratories have studied chloroplast DNA (cpDNA) variation in European white oaks. A common strategy for molecular screening, based on restriction analysis of four PCR-amplified cpDNA fragments, was used to allow comparison among the different laboratories. A total of 2613 oak populations (12,214 individual trees from eight species) were sampled from 37 countries, and analysed with the four fragments. They belong to eight related oak species: Quercus robur, Q. petraea, Q. pubescens, Q. frainetto, Q. faginea, Q. pyrenaica, Q. canariensis and Q. macranthera. During this survey, 45 chloroplast variants were detected and are described together with their phylogenetic relationships, but several of these haplotypes were pooled when there were some risks of confusion across laboratories during the survey, and finally 32 remained that were mapped and used in diversity analyses. A strong phylogeographic structure is apparent from the data, where related haplotypes have broadly similar geographic distributions. In total, six cpDNA lineages are identified, which have distinct geographic distributions, mainly along a longitudinal gradient. Most haplotypes found in northern Europe are also present in the south, whereas the converse is not true, suggesting that the majority of mutations observed were generated prior to postglacial recolonisation, corroborating the conclusions of earlier studies. The description of a new western European lineage constitutes a major finding, compared to earlier phylogenetic treatments. Although the eight oak species studied systematically share cpDNA variants when in sympatry, they partition cpDNA diversity differently, as a consequence of their different ecology and life history attributes. Regional differences in levels of differentiation also exist (either species-specific or general); these seem to be related to the intensity of past and present management of the forests across Europe but also to the level of fragmentation of the range within these regions.

Genetic association studies in forest tress would greatly benefit from information on tree response to environmental stressors over time. Dendroecology can close this gap by providing such time series measurements. Here, we jointly analyzed dendroecological and genetic data to explore the genetic basis of resistance, recovery and resilience to episodic stress in silver fir. We used individual level tree-ring data to characterize the growth patterns of surviving silver fir (Abies alba) during the forest dieback in the 1970s and 1980s in Central Europe and associated them with SNPs in candidate genes. Most trees at our study sites in the Bavarian Forest experienced severe growth decline from 1974 until the mid-1980s, which peaked during the drought year of 1976. Using the machine learning algorithm random forest, we identified 15 candidate genes that were associated with the variance in resistance, resilience and recovery among trees in this period. With our study we show that the unique possibility of phenotypic time series archived in tree-rings are a powerful resource in genetic association studies. We call for a closer collaboration of dendroceologists and forest geneticists to focus on integrating individual tree level signals in genetic association studies in long lived trees.

Abstract Global warming is predicted to exert negative impacts on plant growth due to the damaging effect of high temperatures on plant physiology. Revealing the genetic architecture underlying the heat stress response is therefore crucial for the development of conservation strategies, and for breeding heat-resistant plant genotypes. Here we investigated the transcriptional changes induced by heat in Nothofagus pumilio , an emblematic tree species of the sub-Antarctic forests of South America. Through the performance of RNA-seq of leaves of plants exposed to 20°C (control) or 34°C (heat shock), we generated the first transcriptomic resource for the species. We also studied the changes in protein-coding transcripts expression in response to heat. We found 5,214 contigs differentially expressed between temperatures. The heat treatment resulted in a down-regulation of genes related to photosynthesis and carbon metabolism, whereas secondary metabolism, protein re-folding and response to stress were up-regulated. Moreover, several transcription factor families like WRKY or ERF were promoted by heat, alongside spliceosome machinery and hormone signaling pathways. Through a comparative analysis of gene regulation in response to heat in Arabidopsis thaliana, Populus tomentosa and N. pumilio we provide evidence of the existence of shared molecular features of heat stress responses across angiosperms, and identify genes of potential biotechnological application.

Abstract Habitat loss and degradation due to human-induced landscape alterations are considered to be a major threat to biodiversity. The decline of biodiversity may occur with a time delay leading to a so called extinction debt. Therefore, determining extinction risks and conservation status is not always straightforward. Several life history traits might play a role for the accumulation of an extinction debt. Thus, perennial plant species capable of vegetative propagation might be able to persist temporarily in degraded habitats even though sexual and evolutionary processes are effectively halted. We studied Cnidium dubium , which occurs in scattered patches along river corridors in Central Europe and is critically endangered in Germany. It is a perennial species which is able to propagate clonally. Our aims were to reconstruct demographic processes regarding clonal propagation and gene flow along 400 km of river stretch and with respect to the position in the flooplain, i.e. before or behind dykes. We also wanted to determine whether there is evidence for an extinction debt in C. dubium and to use our insights for conservation recommendations. For this, we used nuclear microsatellites and maternally inherited chloroplast DNA markers and applied a systematic grid based sampling strategy for small scale geographic structures. We observed a high level of clonal propagation. In 935 analysed plants we observed only 121 different genotypes and of 50 studied patches of C. dubium the majority (31 patches) consisted of one single genotype each. Patch size and position were correlated with clonal diversity. Large patches and patches behind dykes exhibited higher clonal diversity. There was no evidence for a large scale genetic substructuring of the study area and no differences in overall genetic diversity between upstream and downstream patches as well as between patches before and behind the dykes. High levels of heterozygosity and a high number of 18 chloroplast DNA haplotypes togetherwith a slightly elevated inbreeding coefficient (Fis) point toward a high level of ancestral polymorphism in an out of equilibrium population due to high levels of clonal propagation and low levels of gene flow and recombination. Therefore, we assume that an extinction debt is present in C. dubium. As a management strategy, we propose to transplant ramets between multiple patches to increase the number of mating partners and therefore restore sexual reproduction.