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Erfassung von Biodiversität in Wäldern



Der Begriff Biodiversität beschreibt die biologische Vielfalt der Arten, wie auch die genetische Variation innerhalb einer einzelnen Art, die sich in einem bestimmten geographischen Raum etabliert hat. Spätestens seit der UN-Konferenz für Umwelt und Entwicklung in Rio de Janeiro 1992 und den Resolutionen von Straßburg 1990 und Helsinki 1993 zum Schutz der Wälder in Europa ist der Erhalt der Biodiversität Leitgedanke internationaler Aktivitäten.

Innerhalb einer Art drückt sich Diversität zunächst als Vielfalt der phänotypischen Merkmale aus: Diese prägen das Erscheinungsbild eines Organismus, das sowohl durch die genetischen Anlagen als auch durch die Umwelt beeinflußt wird. Gemeint sind beispielsweise verschiedene Wuchsformen sowie Anpassungen an unterschiedliche Umwelten. Solche Merkmalsausprägungen stellen das Ende einer Wirkungskette dar, an deren Anfang die genetische Information steht. Daher schließt die Erhaltung von Arten zwingend den Schutz der genetischen Vielfalt innerhalb der Arten ein. Zu schützen sind dabei besonders solche Mechanismen, die das Entstehen, Bewahren, Modifizieren und vor allem die Weitergabe von genetischer Variation an die nachfolgenden Generationen gewährleisten.

Im Gegensatz zu den wirtschaftlich genutzten krautigen Pflanzen sind die langlebigen Waldbäume genetisch vergleichsweise vielfältig. Sie bilden überwiegend noch Wildpopulationen. Ausgehend von eiszeitlichen Refugien, zumeist in südeuropäischen Gebieten gelegen, wanderten die Baumarten mit dem Rückgang des Eises vor etwa 13000 Jahren in ihre heutigen teilweise großen geographischen Verbreitungsgebiete zurück. Es liegt nahe, daß die nacheiszeitliche Rückwanderung unserer europäischen Waldbaumpopulationen in räumlichen geographischen Mustern genetischer Variation resultierte. Ursache hierfür sind unter anderem genetische Prozesse, die sich während der Rückwanderung innerhalb der Populationen abgespielt haben, wie Mutationen und Selektion und der zufallsbedingte Verlust von genetischen Varianten. Aber auch die Einflüsse des Menschen spielen bei der genetischen Zusammensetzung von Waldbaumpopulationen eine große Rolle, etwa durch Waldbau oder Aktivitäten, welche die Umwelt beeinflussen und verändern, die dann wiederum auf die genetische Struktur unserer Wälder einwirken.


Projekte und Ziele


Ein nachhaltiger Schutz der genetischen Variation und genetischen Ressourcen der Waldbäume in den wirtschaftlich genutzten Waldökosystemen Europas ist nur grenzübergreifend möglich und damit eine gesamteuropäische Aufgabe. Im Forschungsprogramm Biotechnologie der Europäischen Union werden seit 1993 deshalb zwei aufeinanderfolgende Projekte zur Biodiversität gefördert. In zuletzt 14 Forschergruppen aus Wissenschaft und Industrie aus sieben europäischen Ländern (Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Österreich, Niederlande und Schweiz) wird zum Thema "Entwicklung, Optimierung und Validierung molekularer Werkzeuge zur Erfassung von Biodiversität in Waldbäumen" gearbeitet. Die Arbeiten orientieren sich an folgenden Zielen:

- Methodenorientierung. Arbeiten hierzu befassen sich mit der Anpassung, Entwicklung und Optimierung von molekularbiologischen Methoden zur Erfassung von genetischer Diversität innerhalb und zwischen Waldbaumpopulationen sowie zwischen verschiedenen Waldbaumarten.

- Prozeßorientierung. Aus den Ergebnissen der Zustandserfassung von genetischer Diversität zwischen und innerhalb der Populationen können die Forschergruppen zum einen retrospektiv Aussagen über die Entstehungsursachen der derzeitigen Variation machen, beispielsweise über das Paarungssystem oder die nacheiszeitliche Geschichte der Population. Zum anderen dienen die erhobenen Daten als Validierungsgrundlage für Computermodelle, welche populationsgenetische Prozesse unter besonderer Berücksichtigung alternativer waldbaulicher Strategien oder verschiedener Umweltszenarien über viele Generationen simulieren.

- Anwenderorientierung. Im Projekt erarbeitete Methoden sollen schnell und sicher anwendbar sein sowie im Rahmen von praxis- und methodenorientierten Workshops an Anwender aus Wissenschaft und Forstwirtschaft weitergegeben werden.

Die Struktur des Projektes begünstigt eine auf diese Ziele gerichtete Forschungsaktivität. Durch die sogenannte vorwettbewerbliche Beteiligung von Anbietern molekularbiologischer Produkte und Verfahren können spätere kommerzielle Produkte optimal an die Erfordernisse des Forschungsobjektes Waldbäume angepaßt werden. Und dadurch, daß wir die potentiellen Endnutzer der Technologie in unsere Projekte miteinbeziehen, wie beispielsweise Forstbaumschulen, fördern wir sowohl Konkretisierung als auch Praxisnähe unserer wissenschaftlichen Fragestellungen.

Bei krautigen Pflanzen sind molekularbiologische Methoden seit langem etabliert. Eine einfache Übertragung auf Waldbäume gelang zunächst jedoch nicht. Größere Mengen an Zellinhaltstoffen wie ätherische Öle und Harze sowie das ungleich größere Genom, die Gesamtheit der Erbsubstanz eines Organismus, welches bei Nadelbaumarten um das 100-‚ bis 200fache größer sein kann als das gut untersuchte Genom der Modellpflanze Arabidopsis, erschwerten anfangs bereits die Extraktion und in der Folge auch die Untersuchung gezielter Abschnitte der DNA (Desoxyribonukleinsäure). Die DNA besteht aus vier Grundbausteinen, die eine lange und aufgewundene Doppelkette bilden. Die Reihenfolge dieser Bausteine in der Kette bestimmt die Erbinformationen, die sogenannten Gene.

Im Projekt wurden universelle DNA-Extraktionsverfahren entwickelt, die es ermöglichen, DNA aus verschiedenen Geweben vieler holziger Pflanzenarten zu isolieren. Außerdem gestatten die Minipräparationsverfahren den für ein umfangreiches Monitoring von Biodiversität nötigen hohen Probendurchsatz. Eines dieser Verfahren ist als Arbeitsset (Kit) bereits käuflich erhältlich. Die isolierte DNA ist die Basis für die Entwicklung von sogenannten Markern, die für die Erfassung genetischer Diversität benötigt werden. DNA-Marker leiten sich von variablen Bereichen der DNA aus dem Zellkern ab, aber auch aus der DNA bestimmter Zellorganellen, den Chloroplasten (Orte der Photosynthese) und den Mitochondrien (Orte der Zellatmung).

Ganz wichtig bei der Entwicklung eines Markers ist seine Herkunft. Es muß bekannt sein, ob sich ein Marker vom mütterlichen und/oder väterlichen Erbanteil ableitet. Nur dann kann ein solcher Marker zuverlässig zur Erfassung der genetischen Variation in Raum (über Populationen im Verbreitungsgebiet der Art) und Zeit (über Generationen) eingesetzt werden. Im Laufe des Projektes konnten die Forschergruppen zahlreiche DNA-Marker entwickeln. So wurden in den Genomen von Eiche, Tanne, Fichte und Kiefer hochvariable DNA-Sequenzen gefunden und charakterisiert. Diese eignen sich je nach genomischer Herkunft und dem Grad an Variation als Marker sowohl für großräumige Abstammungsrekonstruktionen zwischen Populationen als auch für Elternschaftsanalysen innerhalb von Waldbeständen. Auf der DNA gibt es Abschnitte, die eine Information für ein bestimmtes Merkmal tragen und codieren, die Gene, aber auch Bereiche, die kein Merkmal codieren. Die variablen Sequenzen stammen aus nichtcodierenden Bereichen der Zellkern- oder Chloroplasten-DNA und sind gekennzeichnet durch kurze Wiederholungen ihrer Einheiten. Deren Polymorphismus (Viel- beziehungsweise Verschiedengestaltigkeit) basiert auf unterschiedlichen Anzahlen der Wiederholungen und ist damit ein sogenannter Längenpolymorphismus. Man nennt derartige Bereiche der DNA Mikrosatellitenorte. Als Untersuchungsmethode von Mikrosatellitenorten hat sich auch hier die molekularbiologische Technik der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) als hocheffizient erwiesen. Mit diesem Verfahren können die Wissenschaftler solche Orte gezielt und schnell vervielfältigen und später die dort vorhandenen Unterschiede in einem speziellen elektrischen Auftrennungsverfahren in Gelen, der Elektrophorese, als DNA-Fragmente unterschiedlicher Längen sichtbar machen.

Beim Test der Mikrosatelliten als Marker für die Erfassung von genetischer Diversität im gesamten Verbreitungsgebiet einer Baumart konnten wir bei der Tanne erfolgreich Mikrosatelliten aus der Chloroplasten-DNA einsetzen. Auf der Ebene von Individuen ergaben die Untersuchungen von Mikrosatelliten aus dem Zellkern von Eichen für verschiedene Baumindividuen ähnlich wie beim Menschen ein unverwechselbares Bild, den genetischen Fingerabdruck. Letzterer ist dann die Methode der Wahl für Elternschaftsanalysen und in der forstwirtschaftlichen Praxis von Relevanz, wenn es darum geht zu kontrollieren, von wie vielen verschiedenen Elternbäumen Saat- und Pflanzgut bereitgestellt wurde, um neue Waldbestände zu begründen.

Mikrosatelliten-Marker in Verbindung mit weiteren hochpolymorphen und neuen DNA-Markern werden zur Zeit eingesetzt, um das Eichengenom zu kartieren. Später kann dann die Lage interessanter Gene dort ebenfalls eingeordnet werden. Am Projekt beteiligte Wissenschaftler arbeiten weiterhin an der Detektion und Charakterisierung von Genen und der Auswirkung spezieller Umwelteinflüsse wie Salzstreß und Luftschadstoffe auf die untersuchten Gene.

In den noch laufenden Aktivitäten sind Beschleunigungen und Automatisierungen der Analyseverfahren geplant. Weitere Arbeiten gelten der Entwicklung von Computerprogrammen für die Datenanalyse sowie der Nutzung bestehender Programme für die Simulation populationsgenetischer Prozesse. Einige Computerprogramme sind bereits im Internet erhältlich. Hinweise auf weiterführende Literatur und zahlreiche Publikationen aus dem Projekt können den EU-Berichtsbänden entnommen werden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999, Seite 911
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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