Collembolen, auch Springschwänze genannt, sind nur wenige Millimeter groß und spielen trotzdem eine große Rolle für die Funktion unserer Böden und Ökosysteme. Sie reagieren empfindlich auf Veränderungen in ihrem Lebensraum. Ihre Artenzusammensetzung und Häufigkeit liefern daher Hinweise auf Veränderungen in der Umwelt. Wie die LUBW dabei klassische Bestimmungsmethoden mit molekularbiologischen Methoden verbindet, zeigt ein Blick ins Labor.
Seit 1986 nimmt die LUBW an verschiedenen Waldstandorten in Baden-Württemberg Proben, um den Effekt von Umweltveränderungen auf Ökosysteme langfristig verfolgen zu können. Im Rahmen dieser Dauerbeobachtung wird im Biologischen Messnetz auch die Artenzusammensetzung von Collembolen erhoben.
Dafür werden die kleinen Bodentiere klassisch unter dem Mikroskop anhand ihrer äußeren Merkmale bestimmt. Da diese Bestimmung zeitaufwendig ist, werden seit einiger Zeit die zuvor morphologisch bestimmten Collembolen zusätzlich mit molekularbiologischen Methoden untersucht.
Dafür wird aus einzelnen, zuvor morphologisch bestimmten Einzeltieren die DNA extrahiert. Anschließend wird in einer PCR-Reaktion ein bestimmter Abschnitt auf der DNA (Universal-Gen) vervielfältigt. Dieser DNA-Abschnitt dient als DNA-Barcode und kann zur genetischen Identifizierung der Tierart genutzt werden, ähnlich wie ein Fingerabdruck.
Im biologischen Labor der LUBW erfolgt die Untersuchung in vier Arbeitsschritten:
1. DNA-ExtraktionAus dem einzelnen Collembolen wird die DNA extrahiert.
2. PCREin bestimmter Abschnitt eines Universal-Gens wird vervielfältigt. Dieser Abschnitt wird als DNA-Barcodesequenz genutzt.
3. SequenzierungDie DNA-Barcodesequenz wird sequenziert, also ihre Reihenfolge der DNA-Bausteine bestimmt.
4. Datenbankeintrag und -abgleichDie DNA-Barcodesequenz wird in Datenbanken hinterlegt und mit bereits vorhandenen Sequenzen verglichen. Dabei werden öffentliche Datenbanken wie z. B. BOLD (Barcode of Life Data Systems) und GenBank genutzt.
Bild: DNA-Analyse im Labor: PCR-Ansatz, Gel-Elektrophorese und Gel-Dokumentation. Bildnachweis: LUBW
Damit eine DNA-Sequenz, die in einer Umweltprobe gefunden wird einer Tierart zugeordnet werden kann, braucht es passende Referenzsequenzen in den Datenbanken. Die LUBW hat deshalb am Beispiel der Collembolen untersucht, wie vollständig die Datenbanken BOLD und GenBank in Bezug auf diese Tiergruppe sind und wie zuverlässig die vorhandenen Sequenzen zugeordnet werden können.
Dabei zeigte sich: Entscheidend ist nicht nur die Anzahl der vorhandenen Sequenzen, sondern auch, wie zuverlässig die Tiere bestimmt wurden, von denen die Referenzsequenzen stammen. Um Lücken in den Datenbanken zu schließen, wurden deshalb zusätzliche DNA-Sequenzen von Collembolen aus aktuellen Proben gewonnen.
Die Bearbeitung der Proben umfasst mehrere Schritte:
Bildnachweis: LUBW
Was mit einem einzelnen, winzigen Bodentier beginnt, endet in einer DNA-Sequenz, die als Referenz in die Datenbanken eingespeist wird. Je mehr korrekt bestimmte Arten dort mit passenden DNA-Barcodes vertreten sind, desto besser ist die Grundlage, um diese molekularbiologische Untersuchung als Instrument für die Umweltbeobachtung einsetzen zu können.
Damit können die Untersuchungen der LUBW einen Baustein für die zukünftige Nutzung von Umwelt-DNA-Metabarcoding bei der Untersuchung und Bewertung der Umwelt liefern. Dadurch kann die Bestimmung der Bodenbiodiversität schneller und genauer erfolgen und Folgen für die Ökosysteme abgeleitet werden.
Fortsetzung folgt: Die LUBW plant weiterführende Untersuchungen zum Metabarcoding für die Biodiversitätsbestimmung in Böden und analysiert Ergebnisse zur Entwicklung der Collembolen. Neue Erkenntnisse gibt es dann wieder im LUBW-Blog.
Noch mehr Infos gibt es im dazugehörigen wissenschaftlichen Paper.
Mehr zur Probennahme und -bearbeitung findet man ebenfalls auf unserem Blog.
