TY - THES A1 - Ranpal, Surendra T1 - Impacts of environmental factors on pollen production of birch across different climatic conditions in Europe BT - [cumulative dissertation] N2 - Pollen production in birch trees (Betula spp.) is a crucial factor influencing plant reproduction and public health, as birch pollen is a major aeroallergen. However, the complex interactions between environmental factors and birch pollen production are not fully understood. This doctoral thesis aims to investigate the impacts of genetic, climatic, and other environmental drivers on pollen production across different birch species and climatic conditions in Europe. The research therefore gains major importance since climate change conditions are believed to alter the risk and severity of allergic diseases and may change conditions for reproduction in forest tree species. The major questions addressed in this PhD thesis are: 1. What are the pollen production estimates for Betula species? In other words, how many inflorescences and pollen are produced by distinct types of the tree species? 2. Is there a year-to-year variation in birch pollen production? 3. How do genetic and environmental factors influence birch pollen production at local and regional scales? The research presented in this thesis is based on three peer-reviewed publications that employed a multi-faceted approach to address the overarching research questions. The first study (Chapter 4) assessed pollen production in cloned individuals of weeping birch (Betula pendula) over three consecutive years (2019-2021) in a seed plantation in Germany, with catkin samples collected from 28 birch trees. The second study (Chapter 5) investigated pollen production of downy birch (Betula pubescens) along an altitudinal gradient of 522 meters in the European Alps during 2020 and 2021, with catkin samples collected from 17 birch individuals at nine different altitudinal locations. The third study (Chapter 6) evaluated the continental-scale impacts of meteorology (temperature, precipitation) and atmospheric gases (ozone, carbon dioxide) on downy birch pollen production across 37 International Phenological Gardens (IPGs) in Europe, with catkin samples collected over three consecutive years (2019-2021) and tree age was approximated by stem circumference. We adopted a standardized method to extract pollen from catkins and maintained methodological consistency across all three studies. For Chapter 4 and Chapter 5, environmental factors such as air temperature, air quality, and solar radiation were monitored at the study sites. For Chapter 6, high-resolution (0.1°) gridded meteorological data were obtained from the E-OBS dataset, and concentrations of O3, NO2 and CO2 were derived from Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) reanalysis. The major statistical analyses included non-parametric tests such as the Kruskal-Wallis test, Mann-Whitney U test, Spearman’s correlation, and mean regression. Additionally, the research incorporated a distribution-free quantile regression method, where the quantiles of the response distribution (pollen production) were modeled directly. This allowed for assessing the impacts of factors such as temperature and O3 levels across different quantiles of the response variable. All statistical analyses were carried out using R versions 4.1.2, 4.2.2, and 4.3.2. We estimated mean pollen production for two birch species: 1.66 million pollen grains per catkin for B. pendula (Chapter 4) and between 0.4 and 8.3 million pollen grains per catkin for B. pubescens (Chapter 5 and Chapter 6). Moreover, significant annual fluctuations were noted in both pollen and catkin production. Our findings also include indication of masting behaviour in the selected birch trees (Chapter 4 and Chapter 5), suggesting that annual variations in pollen production could be influenced by masting, which may mask the effects of environmental factors such as temperature. At the seed plantation site, we observed that genetic variability in birch trees leads to increased variability in pollen production (Chapter 4). Consequently, to effectively investigate the effects of environmental factors, we employed a research design that minimized genetic variability among trees. This approach was applied in our study across Europe using IPG birches, which exhibit reduced genetic variability (Chapter 6). The results from studies in the European Alps (Chapter 5) and across Europe (Chapter 6) showed significant positive correlations between air temperature and pollen production in birch. However, no correlations were observed with altitude (Chapter 5) or CO2 concentration levels (Chapter 5). Increasing O3 concentration levels tended to decrease pollen production (Chapter 6). The findings suggest that further climate warming could worsen the adverse effects on individuals with pollen allergies. This doctoral research provides novel insights into the complex environmental controls on pollen production in birch species, contributing to a more detailed understanding of the potential impacts of climate change on plant reproduction and public health. N2 - Die Pollenproduktion der Birke (Betula spp.) ist ein entscheidender Faktor für die Fortpflanzung der Pflanzen und die menschliche Gesundheit, da Birkenpollen ein wichtiges Aeroallergen darstellen. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Umweltfaktoren und der Pollenproduktion der Birke sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die Auswirkungen genetischer, klimatischer und anderer Umweltfaktoren auf die Pollenproduktion verschiedener Birkenarten und Klimabedingungen in Europa zu untersuchen. Diese Forschungsarbeiten gewinnen große Bedeutung, da angenommen wird, dass der Klimawandel das Risiko und die Schwere allergischer Erkrankungen verändert und die Fortpflanzungsbedingungen von Waldbäumen beeinflussen könnte. Die wichtigsten Fragen, die in dieser Dissertation behandelt werden, sind: 1. Wie hoch ist die Pollenproduktion von Betula-Arten? Mit anderen Worten: Wie viele Blütenstände und Pollen werden von unterschiedlichen Birkenarten produziert? 2. Gibt es jährliche Schwankungen in der Pollenproduktion der Birke? 3. Wie beeinflussen genetische Faktoren sowie Umweltfaktoren die Pollenproduktion der Birke auf lokaler und regionaler Ebene? Die in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsergebnisse basieren auf drei von Experten begutachteten Veröffentlichungen, die einen vielschichtigen Ansatz zur Beantwortung der übergeordneten Forschungsfragen verfolgten. In der ersten Studie (Kapitel 4) wurde die Pollenproduktion von geklonten Individuen der Hängebirke (Betula pendula) in drei aufeinanderfolgenden Jahren (2019-2021) in einer Saatgutplantage in Deutschland untersucht, wobei Kätzchenproben von 28 Birken gesammelt wurden. Die zweite Studie (Kapitel 5) untersuchte die Pollenproduktion der Moorbirke (Betula pubescens) entlang eines Höhengradienten von 522 Metern in den europäischen Alpen in den Jahren 2020 und 2021, wobei Kätzchenproben von 17 Birken an neun verschiedenen Höhenstandorten gesammelt wurden. Die dritte Studie (Kapitel 6) untersuchte die kontinentalen Auswirkungen von Meteorologie (Temperatur, Niederschlag) und atmosphärischen Gasen (Ozon, Kohlendioxid) auf die Pollenproduktion von Moorbirken in 37 Internationalen Phänologischen Gärten (IPGs) in Europa, wobei Kätzchenproben in drei aufeinanderfolgenden Jahren (2019-2021) gesammelt wurden und das Baumalter anhand des Stammumfangs approximiert wurde. Wir haben ein standardisiertes Verfahren zur Gewinnung von Pollen aus Kätzchen angepasst und diese Methodik konsistent in allen drei Studien angewandt. In den Kapiteln 4 und 5 wurden Umweltfaktoren wie Lufttemperatur, Luftqualität und Sonneneinstrahlung an den Untersuchungsstandorten überwacht. Für Kapitel 6 wurden meteorologische Daten mit hoher räumlicher Auflösung (0,1°) aus dem E-OBS-Datensatz gewonnen, und die Konzentrationen von O3, NO2 und CO2 wurden aus der Reanalyse des Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) abgeleitet. Zu den wichtigsten statistischen Analysen gehörten nicht-parametrische Tests wie der Kruskal-Wallis-Test, der Mann-Whitney-U-Test, die Spearman-Korrelation und die Mittelwertregression. Außerdem wurde eine verteilungsfreie Quantilregression angewandt, bei der die Quantile der Antwortverteilung (Pollenproduktion) direkt modelliert wurden. Auf diese Weise konnten die Auswirkungen von Faktoren wie Temperatur und O3-Gehalt über verschiedene Quantile der Antwortvariablen hinweg bewertet werden. Alle statistischen Analysen wurden mit den R-Versionen 4.1.2, 4.2.2 und 4.3.2 durchgeführt. Wir haben die durchschnittliche Pollenproduktion für zwei Birkenarten geschätzt: 1,66 Millionen Pollenkörner pro Kätzchen für B. pendula (Kapitel 4) und zwischen 0,4 und 8,3 Millionen Pollenkörner pro Kätzchen für B. pubescens (Kapiteln 5 und 6). Außerdem wurden sowohl bei der Pollen- als auch bei der Kätzchenproduktion erhebliche jährliche Schwankungen festgestellt. Unsere Ergebnisse enthalten auch Hinweise auf ein Mastverhalten der ausgewählten Birken (Kapiteln 4 und 5), was darauf hindeutet, dass die jährlichen Schwankungen in der Pollenproduktion durch das Mastverhalten beeinflusst werden könnten, was die Auswirkungen von Umweltfaktoren wie der Temperatur möglicherweise überdeckt. Am Standort der Saatgutplantage haben wir festgestellt, dass die genetische Variabilität der Birken zu einer erhöhten Variabilität der Pollenproduktion führt (Kapitel 4). Um die Auswirkungen von Umweltfaktoren effektiv zu untersuchen, wendeten wir daher ein Forschungsdesign an, das die genetische Variabilität zwischen den Bäumen minimiert. Dieser Ansatz wurde in unserer europaweiten Studie mit IPG-Birken angewandt, welche eine geringere genetische Variabilität aufweisen (Kapitel 6). Die Ergebnisse der Untersuchungen in den europäischen Alpen (Kapitel 5) und in ganz Europa (Kapitel 6) ergaben signifikante positive Korrelationen zwischen der Lufttemperatur und der Pollenproduktion der Birke. Es wurden jedoch keine Korrelationen mit dem Höhengradienten (Kapitel 5) oder der CO2-Konzentration (Kapitel 6) festgestellt. Mit zunehmender O3-Konzentration ging die Pollenproduktion tendenziell zurück (Kapitel 6). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine weitere Klimaerwärmung die negativen Auswirkungen auf Pollenallergiker noch verstärken könnte. Diese Doktorarbeit bietet neue Einblicke in das komplexe Zusammenspiel der Umwelteinflüsse auf die Pollenproduktion der Birke und trägt zu einem genaueren Verständnis der möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenreproduktion und die menschliche Gesundheit bei. KW - Betula KW - pollen production KW - plant ecology KW - Europa KW - international phenological gardens KW - masting behavior KW - spatial gradient KW - mountain-valley gradient KW - Birke KW - Pollen KW - Umweltfaktor KW - Klimaänderung KW - Genetische Variabilität Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:824-opus4-9637 ER -