Der Arten-Barcode

DNA-Analysen zur sicheren Bestimmung von Spezies

15.04.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Allergiker fürchten ihn: den Pollenflug. Mit DNA-Barcoding kann man z. B. das Auftreten von allergieauslösenden Gräserpollen besser vorhersagen. (Bildquelle: © Pixabay/CC0)
Allergiker fürchten ihn: den Pollenflug. Mit DNA-Barcoding kann man z. B. das Auftreten von allergieauslösenden Gräserpollen besser vorhersagen. (Bildquelle: © Pixabay/CC0)

Jede Pflanzenart hat ihren unverwechselbaren genetischen Code. Mit dem Nachweis spezieller DNA-Sequenzen (DNA-Barcoding) lassen sich Arten sicherer bestimmen und ökologische Zusammenhänge genauer untersuchen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die optimierte Vorhersage über das Auftreten von allergieauslösenden Gräserpollen.

Jede Art besitzt einen einzigartigen genetischen Code - vergleichbar den Barcodes auf den Produktverpackungen im Supermarkt. Beim sogenannten DNA-Barcoding werden für bestimmte Arten spezifische DNA-Sequenzbereiche (Marker) analysiert. So können einzelne Arten auf genetischer Ebene voneinander unterschieden, Verwandtschaftsgrade zwischen den Arten bestimmt sowie Veränderungen innerhalb einer Art registriert werden. Bei Pflanzen werden dazu oft zwei Genabschnitte aus der DNA der Chloroplasten genutzt: die Genuntereinheit rbcL der RuBisCo (Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase) und das Gen matk (codiert für die Maturase K, ein für Intron-Splicing zuständiges Enzym in Chloroplasten). Bei Tieren werden DNA-Sequenzen aus den Mitochondrien genutzt.

Genauere Pollenvorhersage

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Mit DNA-Barcoding können ökologische Zusammenhänge untersucht werden, zum Beispiel, wann welche Gräser blühen.

Mit DNA-Barcoding können ökologische Zusammenhänge untersucht werden, zum Beispiel, wann welche Gräser blühen.

Quelle: © iStock.com/Martina Simonazzi

Mittels DNA-Barcoding kann auch die Belastung unserer Umgebung mit allergieauslösenden Pollen genauer vorhergesagt werden. Dazu hat ein internationales Forschungsteam in einer neuen Studie mittels DNA-Barcoding die zeitlichen und räumlichen Unterschiede beim Auftreten von Gräserpollen analysiert.

Bei den bisher üblichen Pollenvorhersagen der Wetterdienste wird in der Regel nur über das Auftreten von Gräserpollen im Allgemeinen informiert. „Gräser“ umfassen aber ein breites Spektrum von verschiedenen Grasarten der Familie der Süßgräser (Poaceae), die zu unterschiedlichen Zeiten blühen und sich auch in ihren allergieauslösenden Eigenschaften voneinander unterscheiden.

Die Forscher untersuchten das Auftreten von Gräserpollen an sechs verschiedenen Standorten in Großbritannien zur Zeit der Grasblüte von Mai bis August 2016. Dazu sammelten sie Pollen in speziellen Luftfallen, analog zu den Pollenuntersuchungen des britischen Wetteramtes. Sie analysierten die DNA der Pollen der einzelnen Gräser und verglichen die Marker rbcL und ITS2 (Internal Transcribed Spacer 2) mittels PCR-Sequenzierung.

Unterschiede in Raum und Zeit

Die Forscher fanden heraus, dass besonders fünf allergieauslösende Gräser-Gattungen über längere Zeiträume in den Proben enthalten waren: Fuchsschwanzgräser (Alopecurus) und Honiggräser (Holcus) traten besonders in der früheren Vegetationsperiode (Mai und Juni) auf, Schwingel (Festuca), Rispengräser (Poa) und insbesondere Weidelgräser (Lolium) dominierten die spätere Vegetationsperiode (ab Juli). Dagegen kamen Pollen des Wiesen-Lieschgrases (Phleum pratense) sowie der Knäuelgräser (Dactylis) und der Ruchgräser (Anthoxanthum), die ebenfalls als wichtige Allergieauslöser gelten, nur in klar bestimmbaren, kurzen Zeitabschnitten vor.

Die Forscher konnten auch zeigen, dass es räumliche Unterschiede im Auftreten von Pollen der einzelnen Gattungen gab. So erreichte das Auftreten von Pollen der Rispengräser im walisischen Bangor sowie im englischen Worcester seinen Höhepunkt Mitte Juni, während dies im schottischen Invergowrie erst sechs bis acht Wochen später eintrat. Somit konnten die Wissenschaftler die Pollenbelastung durch Süßgräser mittels DNA-Barcoding über die Vegetationsperiode zeitlich und räumlich genauer aufschlüsseln. Diese Ergebnisse helfen, in Zukunft das Auftreten der einzelnen Allergieauslöser besser vorherzusagen.

Umfassende Arten-Datenbank in Deutschland

In Deutschland wird das DNA-Barcoding hauptsächlich zum Erfassen von Arten genutzt, zum Beispiel im Projekt „GBOL“ (German Barcode Of Life), einem deutschlandweiten Netzwerk von Naturkundemuseen, Universitäten und anderen wissenschaftlichen Einrichtungen unter Leitung des Zoologischen Forschungsmuseums Alexander König in Bonn.

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Jede Art besitzt einen einzigartigen genetischen Code - vergleichbar den Barcodes auf den Produktverpackungen im Supermarkt. Beim DNA-Barcoding werden für bestimmte Arten spezifische DNA-Sequenzbereiche analysiert.

Jede Art besitzt einen einzigartigen genetischen Code - vergleichbar den Barcodes auf den Produktverpackungen im Supermarkt. Beim DNA-Barcoding werden für bestimmte Arten spezifische DNA-Sequenzbereiche analysiert.

Quelle: © Sakurambo / wikimedia.org / gemeinfrei

Ziel ist es, eine umfassende Datenbank zu schaffen, in der sämtliche Lebewesen Deutschlands wissenschaftlich beschrieben und mit ihrem DNA-Barcode erfasst sind. Dazu werden Proben von Tieren, Pflanzen und Pilzen von Spezialisten gesammelt, identifiziert und unter anderem ihre ökologischen Ansprüche, ihre Morphologie und ihr Lebenszyklus erfasst. In einem zweiten Schritt wird der spezifische DNA-Barcode der Art ermittelt.

Besonders am Beispiel des sich immer deutlicher abzeichnenden Insektensterbens liegt der Vorteil dieser Arbeit auf der Hand: Um bedrohte Spezies identifizieren zu können, muss man die Arten und ihre Häufigkeit in einer Region genau kennen. Gerade bei den Insekten gibt es hier aber noch bedeutende Wissenslücken und zu wenige Spezialisten, die Arten anhand morphologischer Merkmale sicher bestimmen können. Das DNA-Barcoding kann dieses Problem überwinden helfen, da nun auch Nicht-Experten auf dem Gebiet der Entomologie Insektenarten zuverlässig identifizieren können.

Aus diesem Grund gibt es auch weltweit immer mehr solcher Initiativen, zum Beispiel das Projekt „ibol“ (International Barcode Of Life). Es hat sich zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2025 für 2,5 Millionen Arten den DNA-Barcode zu bestimmen. Spezies-Marker für alle mehrzelligen Organismen dieser Erde sollen bis zum Jahr 2045 vorliegen.

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