Promotionsstipendium: Philip Testroet

DNA-Barcoding & ex-situ-Kulturen: floristische und molekularbiologische Analyse der Diasporenbank

Kurzfassung

Ziel ist es, ein System zu entwickeln, das mit geringem technischen und molekularbiologischen Aufwand, alle pflanzlichen DNA-Spuren im Boden (Diasporen) erfasst und die jeweiligen Arten identifiziert. Der Abgleich soll über DNA-Barcodes stattfinden. Diese werden im Zuge der Promotionsarbeit aus Ex-situ-Kulturen (ex situ = „außerhalb des [ursprünglichen] Ortes“) der Bodenproben gewonnen. Die hierbei aufwachsenden Pflanzen werden bestimmt und ihre DNA isoliert. Ebenfalls werden Pflanzen bei Vegetationsaufnahmen gesammelt, deren DNA-Sequenzen genauso in die Datenbank einfließen. Als dritte Quelle dient die allgemeine GBOL-Datenbank, an deren Aufbau weitere Forschergruppen beteiligt sind. Mit diesem Ansatz soll die Artzusammensetzung in der Diasporenbank zeit- und kosteneffizient bestimmt werden können.
Die Daten sollen schließlich Aussagen über die Diasporendiversität und die vorhandene Vegetation unabhängig von der Vegetationsperiode erlauben. Gleichzeitig soll so ein Einblick in die potentiellen Veränderungen der Diversität möglich sein. Anwendungsbereiche der Methode liegen im Bereich von nachhaltiger Entwicklung, vorsorgendem Umweltschutz und Raumplanungsmaßnahmen.
 

Einleitung

Biodiversitätsverlust, Umweltverschmutzung sowie der Klimawandel stellen eine Bedrohung für unsere Umwelt, Gesundheit und Europas wirtschaftliche Entwicklung dar. Das Projekt hat sich zum Ziel gesetzt die Diasporenbank im Untersuchungsgebiet „Oberes Wüstebachtal“ im Nationalpark Eifel, ein Bestandteil des TERENO-Observatoriums „Eifel/Niederrheinische Bucht“, konventionell und mit molekularbiologischen Mitteln zu analysieren. Aufbauend auf der floristischen Untersuchung vor und nach dem Fichtenabtrieb mittels Monitoring und Ex-situ-Kultivierung, soll ein neuer Ansatz entwickelt werden, bei dem mittels DNA-Barcoding die Diasporenbank schnell, sicher und Kosteneffizient analysiert und bestimmt werden kann. Die Anwendungsbereiche des DNA-Barcodings werden helfen verschiedene Themenbereiche zu erforschen. Zum Beispiel die Ausbreitungs- und Etablierungsprozesse ausgewählter Arten entlang von Gradienten, verschiedene Sukzessionsprozesse, Naturschutzfachliche Indikation, Neophytenmanagement oder Landschaftspflegemethoden. Mögliche Ansätze sind die Veränderung der Biodiversität im Klimawandel oder das Bedrohungspotential von gefährdeten Arten. Weitere Anwendungsbereiche liegen neben dem Biomonitoring z.B. in der forensischen Analytik, Lebensmittel-, Handels- oder Zollkontrollen.

Seit 2003 bemüht sich die internationale Forschergemeinschaft verstärkt, unabhängig von dem Bestreben den Stammbaum des Lebens in allen Ästen aufzuklären, die Identifikation und Inventarisierung der globalen Biodiversität anhand definierter Abschnitte des Erbguts, sog. DNA-Barcodes, zu realisieren. Im Rahmen des vom Erstgutachter (Quandt) koordinierten BMBF geförderten Projektes „Barcoding the German Flora (GBOL5)“, (Bestandteil der „German Barcode of Life (GBOL)“ – Initiative, www.bolgermany.de) wird derzeit eine DNA-Barcode-Referenzdatenbank der deutschen Flora erarbeitet, die als Grundlage dieses Projektantrages fungiert.

Fragestellungen

Einige Fragestellungen des Projektes sind der Sukzessionsverlauf, Gradienten des Diasporeneintrags und vor allem das Artenspektrum in der Diasporenbank. Dies wird wichtige Ergebnisse für ein allgemeines Konzept zur Renaturierung von anthropogen genutzten Flächen (z.B. Fichten- und Kiefernforste) einbringen.
Der molekularbiologische Ansatz soll letztendlich die Frage klären, ob ein technisch und wissenschaftlich einwandfreies SOP (standard operation protocol) zur Erfassung der Biodiversität eines Lebensraums mittels molekularbiologischer Methoden anhand von Substrat-/Umweltproben realisierbar ist. Dafür soll über die DNA-Barcode-Referenzdatenbank von GBOL die aus Umweltproben generierten DNA-Barcode-Sequenzen exakt den jeweiligen Pflanzenarten zugeordnet werden zu denen sie gehören und welche damit im Boden vertreten sind oder es einmal waren.

Die Ergebnisse werden weitreichende Möglichkeiten zur Förderung von Nachhaltiger Entwicklung, vorsorgendem Umweltschutz und zur Verbesserung von Renaturierungs- und Raumplanungsmaßnahmen eröffnen.

Durchführung

Die für die Arbeit verwendeten Bodenproben stammen aus dem Wüstebachtal (N 50° 30′ 9.03″; E 6° 19′ 52.99″) im Nationalpark Eifel, NRW, unweit der belgischen Grenze (Abb. 1). Das Wüstebachtal ist schon über längere Zeit als Untersuchungsfläche verschiedener Forschergruppen in Bearbeitung. Besonders interessant ist die Tatsache, dass das Gebiet beim Beginn der Arbeiten noch vollständig von einem Fichtenforst bedeckt war (Abb. 2). Dieser wurde jedoch Ende des Jahres 2013 abgetrieben, sodass nun die Hälfte der Fläche im Grunde frei von Bäumen ist (Abb. 3). Diese Maßnahme dient der Renaturierung und soll nun anderen, heimischen Baumarten die Möglichkeit geben aufzuwachsen. Das Gebiet unterliegt nun ohne Aufpflanzungen der natürlichen Sukzession.