Molekulare Arterfassung der Fauna der Nordsee

In den letzten 250 Jahren wurden bislang über 226000 Arten der verschiedensten Tiergruppen aus den Weltmeeren identifiziert und beschrieben. Viele Arten spielen eine besondere Rolle im marinen Nahrungsnetz, entweder als Indikatoren im Ökosystem, als Primärproduzenten, als Parasiten oder Pathogene. Die korrekte Bestimmung der unterschiedlichen Arten unterliegt in der Regel Spezialisten, den so genannten Taxonomen.

In vielen Fällen ist diese Arbeit schwierig und zeitaufwendig, da die Unterscheidung von Arten häufig nur anhand mikroskopisch kleiner morphologischer Details erfolgt und oft eine jahrelange Erfahrung voraussetzt. Noch schwieriger ist die Bestimmung von Jungtieren, Larven, Eiern oder Gewebestücken. Eine genaue Identifizierung der Arten ist aber essentiell, zum Beispiel zur Beurteilung der Schutzwürdigkeit eines Habitats oder Region und der Bewertung eines Biotops, da sich als Folge von Klimawandel und menschlichen Einflüssen Veränderungen in der Artenzusammensetzung beobachten lassen. Auch in der Lebensmittelkontrolle ist eine genaue Determinierung der vorliegenden Arten von hoher Bedeutung — welcher Fisch wurde im Fischfilet verarbeitet — und dient somit letztlich auch dem Verbraucherschutz. Neue Methoden werden benötigt, die eine schnelle und effiziente Identifizierung mariner Arten erlauben und unabhängig von der Gestalt sowohl an erwachsenen Individuen als auch an Larven oder Gewebeproben mit gleicher Effizienz angewandt werden können.
Im April 2010 wurde am Institut Senckenberg am Meer in Wilhelmshaven die Arbeitsgruppe „Molekulare Taxonomie Mariner Organismen“ in der Abteilung Deutsches Zentrum für Marine Biodiversitätsforschung gegründet. Das mit mehr als zwei Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Land Niedersachsen finanzierte Projekt mit einer Laufzeit von sechs Jahren hat sich zur Aufgabe gemacht, die Grundlagen für die Charakterisierung und Bestimmung der marinen Artenvielfalt zu schaffen und neue Methoden zur Beschleunigung der Biodiversitätserfassung zu entwickeln. Ziel der Untersuchung sind nicht weit entfernte tropische Meere oder Tiefseeregionen, sondern die heimischen Gewässer der Nordsee und angrenzender Gebiete, welche trotz ihrer Nähe aus molekularbiologischer Sicht noch weitestgehend unerforscht sind.
Ein Arbeitsfeld umfasst die Erstellung einer DNA-Barcode Bibliothek. Ein DNA-Barcode ist ein kurzer Abschnitt aus dem Erbgut, der eine Art charakterisiert und mit standardisierten und automatisierten Methoden gewonnen und erkannt wird. In den letzten Monaten war es uns möglich, eine DNA Barcode-Bibliothek für rund 3200 Individuen von rund 530 Arten aus der Nordsee zu erstellen, welche unter anderem zahlreiche ökologisch und ökonomisch wichtige Krebs- und Fischarten umfasst. Basierend auf diesen genomischen Strichcodes, welche wir von den erwachsenen Organismen einer Art generiert haben, können nun auch ihre winzigen Larven im Plankton bis auf Artebene identifiziert werden, was erstmals eine viel präzisere Erfassung der Vielfalt und Dynamik des Planktons ermöglicht. Für die Kleinstorganismen der Meiofauna des Meeresbodens wurden die Arbeitsschritte so angepasst, dass selbst einzelne, nur wenige 100 μm große Individuen erfolgreich identifiziert werden können. Ein weiterer Bereich ist die Entwicklung von Methoden zur selektiven Färbung von Arten mittels sogenannter „molekularer Sonden“. Dabei handelt es sich um kurze, künstlich erzeugte Nukleotidsequenzen, die an eine ganz bestimmte Stelle der Ribosomen gemäß einem Schlüssel-Schloss Mechanismus andocken. Diese „Sonden“ sind mit einem Farbstoff versehen und werden spezifisch konfiguriert, so dass sie nur bei einer Art „passen“. Entsprechend kann man gezielt Arten mit Hilfe dieser Sonden anfärben und für das bloße Auge erkennbar machen. In den letzten Monaten wurden bereits spezifische Sonden entwickelt, welche eine Unterscheidung von Filetstücken wichtiger kommerzieller Fischarten ermöglichen. Absolutes methodisches Neuland ist dagegen die Untersuchung der Proteinsignatur von vielzelligen Organismen im Massenspektrometer und ihre Anwendbarkeit für die Bestimmung von Arten (MALDI-TOF). So konnten beispielhaft die Signaturen der 11 wichtigsten planktonischen Ruderfußkrebse der Nordsee einwandfrei ermittelt werden. Diese viel versprechende Methode zur raschen und präzisen Artidentifizierung soll in den nächsten Jahren bei weiteren Meeresbewohnern der unterschiedlichsten Tiergruppen ausgetestet werden.


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