MOE-Fellowship: Lucie Frejlichova

Exploring the Intersection of Machine Learning, Metagenomics, and Climate Change to A Sustainability

Der Klimawandel verändert Waldökosysteme durch graduelle Trends ebenso wie durch extreme hydrologische Ereignisse. Pilzgemeinschaften in verholzten Pflanzengeweben können als sensitive Indikatoren dieser Belastungen dienen, doch robuste Schlussfolgerungen erfordern eine wirtsspezifische und kompositionelle Auswertung. In diesem Projekt entwickeln wir daher eine interpretierbare Pipeline, die ITS-basierte Metagenomik mit Umweltmetadaten (Meteorologie; laufende Module zu Boden/Wasserdefizit) integriert, um Klima-Regime-Signale zu erfassen und potenzielle Indikatortaxa zu priorisieren, ohne Vorhersage mit Inferenz zu verwechseln.

Wir analysierten gepaarte adulte Bäume, die 2023 (Vor-Flut-Regime) vs. 2024 (Nach-Flut-Regime) beprobt wurden, über vier Wirtsarten hinweg (Fagus, Quercus, Aesculus, Populus). Dazu kombinierten wir Bray–Curtis-Distanzen (TSS) mit CLR/Aitchison-basierten kompositionellen β-Diversitätsmaßen und testeten Effekte mittels PERMANOVA/PCoA. Kandidaten für „Flut-Jahr-Biomarker“ wurden über genus-spezifische OLS-Modelle auf CLR-Abundanzen (β, p, FDR) gescreent und durch Random-Forest-Modelle zur Jahresklassifikation ergänzt, wobei die Richtung der Veränderungen über gepaarte ΔCLR-Werte (2024–2023) verankert wurde. Ein Konsens-Ansatz (OLS+FDR + LASSO + RF-Importance) diente dazu, robuste Gattungen für Monitoring-Zwecke zu priorisieren.

Ein reproduzierbarer Jahresshift war erkennbar, jedoch stark wirtsabhängig und am ausgeprägtesten in Fagus. Die Integration symptomatischer Sämlinge (TD) für Fagus und Quercus lieferte eine krankheitsrelevante Referenz: In der Bray–Curtis-PCoA trennten sich Sämlinge und adulte Bäume deutlich, während die Unterschiede zwischen adult_2023 und adult_2024 geringer ausfielen. Im CLR/Aitchison-Raum bewegten sich Fagus-Adulte 2024 näher an die TD-Sämlinge (geringere Sämling→Adult-Distanzen), was auf eine Konvergenz in Richtung einer TD-gekoppelten Community-Konfiguration hinweist; bei Quercus war dieses Muster schwächer und variabler. Heatmaps zur genus-spezifischen Konvergenz sowie Biomarker-Maps unterschieden „sämlings-ähnliche Flut-Taxa“ von „verlorenen Marker-Taxa adulter Bäume“. FUNGuild-Zusammenfassungen deuteten zudem auf wirtsabhängige Verschiebungen der trophischen Struktur hin, einschließlich gemischter trophischer/endophyten-assoziierter Gruppen, deren Effekte auf den Wirt sowohl positiv als auch negativ sein können und sich bis auf Omics-Ebenen ausprägen können.

Insgesamt stützen die Ergebnisse einen wirtspezifischen kompositionellen Regime-Shift nach der Flut, einschließlich einer TD-gekoppelten Konvergenz in Fagus, und liefern einen transparenten Rahmen zur Priorisierung von Indikatorgattungen für klimaadaptives Monitoring und mechanistische Anschlussstudien.

AZ: 30025/002

Zeitraum

05.02.2025 - 04.02.2026

Land

Tschechien und Slowakei

Institut

Philipps-Universität Marburg
Microcosm Earth Center
Biogeochemistry Lab

Betreuer

Dr. Judith Klatt