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Gewässergüte mit DNA-Analysen bewerten

Organismen in Fließgewässern geben Aufschluss

Die Güte von Gewässern kann anhand der darin vorkommenden Organismen bewertet werden. Oft passieren dabei Fehler, weil sich viele Arten ähnlich sehen. Neue Methoden setzen daher auf DNA-Analysen. Biologen der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben das Verfahren weiterentwickelt, so dass sie viele Organismen auf einmal anhand kurzer DNA-Sequenzen identifizieren können – und zwar schnell und zuverlässig.

Für die Analyse werden alle Wasserorganismen mit flüssigem Stickstoff aufgeschlossen, um an die DNA zu gelangen. (© RUB, Foto: Vasco Elbrecht)

Expertenwissen für Artbestimmung droht verloren zu gehen
Industrie, Landwirtschaft und Besiedlung belasten die Gewässer; einige Organismen können unter den veränderten Bedingungen in Bächen und Flüssen nicht überleben. Ihre Anwesenheit gibt daher Aufschluss über die Qualität des Lebensraums. Die Experten, die die kleinen Tiere anhand ihres Aussehens identifizieren können, werden jedoch immer seltener; nur wenige Nachwuchsforscher betätigen sich in dem Bereich. RUB-Forscher vom Lehrstuhl Evolutionsökologie und Biodiversität der Tiere helfen dabei, das Expertenwissen zu konservieren.

Datenbank mit „DNA-Barcodes“
Zu diesem Zweck entsteht derzeit eine Datenbank in Zusammenarbeit mit dem „German Barcode of Life Project“: Zunächst identifizieren ausgewiesene Fachleute die Wasserorganismen anhand ihres Aussehens. Dann wird ein kurzer charakteristischer Bereich des Erbguts der Tiere – Barcode genannt – entschlüsselt und in der Datenbank hinterlegt.

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Wer wissen will, welche Arten in einem Gewässer vertreten sind, nimmt eine Wasserprobe, sequenziert die DNA der darin enthaltenen Organismen und vergleicht sie mit der Datenbank. Vasco Elbrecht und Dr. Florian Leese haben ein innovatives Laborprotokoll entwickelt, mit dem dieses sogenannte DNA-Barcoding wesentlich schneller geht als bislang. Über tausend Tiere können sie innerhalb von einer Woche nach der Probennahme identifizieren. Schon jetzt in der Pionierphase bestimmt die Methode mehr als 80 % der Spezies richtig. Damit ist sie zuverlässiger als die Artbestimmung anhand äußerlicher Merkmale, und die Bochumer Biologen sind überzeugt, dass sie die Quote zeitnah noch deutlich steigern können.

Bewertungssysteme müssen an die neue Methode angepasst werden
Die Bochumer Biologen haben in ihrer Studie auch Limitationen des DNA-Barcoding aufgezeigt. Mit dem Verfahren lässt sich nicht ermitteln, wie viele Individuen einer bestimmten Art in einem Gewässer vorkommen. Die bisherigen Bewertungskriterien für die Gewässergüte beziehen jedoch solche Daten mit ein. „Das ist ein Problem für die gültigen Bewertungssysteme“, weiß Florian Leese. „Allerdings sind Fließgewässer sehr dynamisch; die Häufigkeit der Arten schwankt über die Jahre hinweg auch natürlicherweise stark. Es ist somit sinnvoll, die Qualität anhand von eindeutigen Artenlisten zu erheben, ohne zu sehr auf die Häufigkeit zu bauen.“

Titelaufnahme:
V. Elbrecht, F. Leese (2015): Can DNA-based ecosystem assessments quantify species abundance? Testing primer bias and biomass - sequence relationships with an innovative metabarcoding protocol, PLOS ONE, DOI: 10.1371/journal.pone.0130324, Link: http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0130324.

Weitere Informationen:
Dr. Florian Leese
Lehrstuhl Evolutionsökologie und Biodiversität der Tiere, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der Ruhr-Universität
44780 Bochum
E-Mail: florian.leese@rub.de

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