Der Artnachweis aus der Wasserflasche

Mit der Umwelt-DNA-Analyse werden Gewässerlebewesen nachweisbar, ohne dass sie gefangen werden müssen: Bernhard Stoeckle (re.) holt sich dafür eine Wasserflasche mit Flüssigkeit aus einem Bach. Foto: A. Heddergott/ TUM

Beim Erstellen einer Umwelt-DNA-Analyse (eDNA) werden winzige Mengen an DNA, die Organismen ins Wasser abgeben mit modernsten molekulargenetischen Analyseverfahren nachgewiesen. Eine einzige Wasserprobe ist dafür ausreichend.

Diese Methode funktioniert aber nicht in allen Gewässern gleich gut und wird daher mit großer Wahrscheinlichkeit von den jeweiligen Gegebenheiten im Gewässer beeinflusst. Dies können organische und anorganische Bestandteile im Wasser sein oder die Strömungsbedingungen. Wie stark sich die einzelnen Faktoren auf das Analyseverfahren auswirken, wurde bisher kaum erforscht.

Dr. Bernhard Stoeckle und Dr. Sebastian Beggel, Wissenschaftler des Lehrstuhls für Aquatische Systembiologie und der AG Molekulare Zoologie (Lehrstuhl für Zoologie) an der TUM haben in einem Experiment den Einfluss verschiedenster Umweltfaktoren auf die eDNA-Analyse untersucht. Die Idee für den Versuch basierte auf vorhergehenden eDNA-Untersuchungen bei einer heimischen Muschelart, für die die Methode erstmals etabliert wurde.

Systematischer Versuchsaufbau

In einem systematischen Laboraufbau wurden Fische der invasiven Schwarzmundgrundel (Neogobius melanostomus) in unterschiedlichen Dichten, unter verschiedenen Strömungsbedingungen, mit und ohne Sediment in Aquarien gehalten und nach einem definierten Zeitraum aus den Becken entfernt.

Im Anschluss nahmen die Forscher in regelmäßigen Abständen über einen Zeitraum von sechs Tagen Wasserproben, um auch die zeitliche Veränderung der Effektivität der eDNA-Analyse bewerten zu können. Zusätzlich gaben die Wissenschaftler mehrere, die molekulare Analyse potentiell hemmende Stoffe wie Algen, Huminstoffe und anorganische Schwebeteilchen ins Wasser, die ebenfalls in natürlichen Ökosystemen vorkommen.

„Das ist wichtig, da wir sonst die Ergebnisse nicht auf eDNA-Untersuchungen im Freiland übertragen können“, erklärt Bernhard Stoeckle. Um herauszufinden welche Faktoren den stärksten Einfluss haben, verglichen die Forscher schließlich die eDNA-Ergebnisse aller Wasserproben miteinander.

Stärke des Einflusses von Faktoren verändert sich mit der Zeit

Die Auswertung des Experiments zeigte zum einen, dass über den gesamten Versuchszeitraum die Strömungsbedingungen, das Vorhandensein und Fehlen von Sediment sowie die Fischdichte sich nur in Kombination miteinander auf die Analysen auswirkten. Zum anderen stellte sich heraus, dass sich die Einflussstärke der Faktoren über die Zeit stark veränderte.

Von den zugegebenen Hemmstoffen beeinträchtigten am meisten organische Substanzen (Huminstoffe) die Analysen. Sie verhinderten oftmals gänzlich eine erfolgreiche Anwendung der Methode. In nur 41 Prozent der untersuchten Proben konnte DNA nachgewiesen werden. Eine vergleichbare Wirkung zeigten Algen, wenn auch weniger ausgeprägt. „Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, wie wichtig es ist, bei eDNA-Analysen die Umweltbedingungen zu erfassen, um die Ergebnisse richtig bewerten zu können“, sagt Bernhard Stoeckle.

Anhand der Ergebnisse des Experiments lässt sich schlussfolgern, dass spezifische Umweltbedingungen die Umwelt-DNA-Untersuchungen stark beeinträchtigen und Arten unter Umständen nicht oder nur schwer detektiert werden können.

Publikation:
Stoeckle, BC., Beggel, S., Cerwenka, AF., Motivans, E., Kuehn, R., Geist, J.: A systematic approach to evaluate the influence of environmental conditions on eDNA detection success in aquatic ecosystems, PLoS One 12/2017.
DOI: 10.1371/journal.pone.0189119.

Kontakt:
Prof. Dr. Jürgen Geist
Technische Universität München
Lehrstuhl für Aquatische Systembiologie
Tel:08161/71-3974
geist@wzw.tum.de
http://fisch.wzw.tum.de

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Dr. Ulrich Marsch Technische Universität München

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