Umwelt-DNA: Die unsichtbaren Spuren unserer wilden Nachbarn

30.04.2020, Julia Schmid
Wer sucht, der findet. Unsichtbare Spuren der wilden Nachbarn sind praktisch überall dort zu finden, wo sich die Tiere für längere Zeit aufgehalten haben. Ob in einem Teich, in einem Fluss oder im Boden, Tiere hinterlassen abgestorbene Hautzellen, Kot oder Schleim und somit auch Teile ihres Erbguts. Mittels Analyse dieses Erbgutes aus der Umwelt lassen sich Tier- oder Pflanzenarten nachweisen, die durch sonst nur schwer aufzuspüren sind. Für die ökologische Forschung und die Praxis bietet diese moderne Methode effizientere Möglichkeiten, die Artenvielfalt zu erfassen.

Will man eine Art mithilfe von Umwelt-DNA*, oder abgekürzt eDNA, nachweisen, muss man erst mal Proben im Freien sammeln. Besonders geeignet für die Analyse sind Wasser-, Boden-, Schnee- oder Sedimentproben. Zurück im Labor isoliert die Forscherin das Erbgut aus der Probe. Dieses kann nun neben Erbgutfragmenten der gesuchten Art auch solche von anderen Organismen enthalten. Daher müssen diese mittels «Metabarcoding» identifiziert werden: Man sucht nach bestimmten DNA-Abschnitten und vergleicht diese mit sogenannten Referenzsequenzen aus einer Datenbank. Findet das Computersystem einen Treffer in der Datenbank, ist die Art identifiziert. Das Prinzip ist dasselbe wie beim Lebensmitteleinkauf: Der Strichcode (entspricht der DNA Sequenz) wird an der Kasse gescannt und mit dem internen System abgeglichen, um den Preis des Lebensmittels (entspricht der Tierart) zu ermitteln.

Probenentnahme von Umwelt-DNA in einem Schweizer Fliessgewässer.
Vereinfachter Artennachweis

Die Umwelt-DNA bietet sowohl in der Forschung als auch in der Naturschutzpraxis vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, die noch vor 10 Jahren technisch unvorstellbar waren. Seltene, scheue oder nachtaktive Arten sind häufig schwierig aufzuspüren. Will man von ihnen DNA-Proben entnehmen, ist das mit grossem Aufwand verbunden. Proben mit Umwelt-DNA hingegen können von solchen Arten mit vergleichsweise geringem Aufwand gesammelt werden. Zudem lassen sich gleich mehrere Arten mit einer einzelnen Probe nachweisen, was Aufschluss über die Artenzusammensetzung eines Gebietes geben kann. 

Die Wasserspitzmaus ist in der Schweiz eine gefährdete Art.

Mit dieser Methode lässt sich beispielsweise die Amphibienvielfalt in Weihern untersuchen oder man setzt sie für die Früherkennung von invasiven Gewässerorganismen wie die Zebra- und Quaggamuscheln ein. Eine weitere Anwendung aus der Praxis ist der Nachweis der als gefährdet eingestuften Wasserspitzmaus. Diese seltene Art ist sehr stressempfindlich und daher ist der Nachweis mittels eDNA eine gute Alternative zur traditionellen Nachweismethode mit Lebendfallen. Möglich sind auch genetische Untersuchungen von Mageninhalten einer Art, was Rückschlüsse auf deren Speiseplan erlaubt.

Die Teichnachbarn dieser Grasfrösche lassen sich mit durch eine Umwelt-DNA Analyse bestimmen.
Schwächen der Umwelt-DNA-Methode

Bislang kann Umwelt-DNA traditionelle Monitoring-Methoden nur ergänzen, aber (noch) nicht ersetzen. Denn trotz aller Vorteile hat die Methode einige Schwächen. Die Erbgutmoleküle zersetzen sich in der Umwelt schnell. UV-Strahlung, mechanische Zerkleinerung durch die Reibungskräfte in Flüssen, aber auch der Abbau durch Bakterien oder Pilze reduzieren die Menge und die Qualität des Erbguts in der Umwelt. Schon wenige Tage reichen, um die DNA in der Umwelt abzubauen. Dadurch wird eine exakte Analyse schwieriger und es kann zu Fehlern in der Artenbestimmung kommen. Des Weiteren können bislang keine Aussagen über die Anzahl Individuen einer Art gemacht werden, sondern nur, ob diese Art im Gebiet vorkommt. Man darf jedoch gespannt darauf sein, wie die Methode in den nächsten Jahren weiterentwickelt wird und welche Möglichkeiten sich eröffnen. 

* DNA = Deoxyribonucleic acid, deutsch Desoxyribonukleinsäure, ist das Molekül, das bei allen Lebewesen die Erbinformation trägt.
englisch: environmental DNA = eDNA 

Artporträt

Rana temporaria