Ökologen haben gezeigt, dass das genetische Material, das Arten in ihre Umwelt abgeben, nicht nur das Vorhandensein der Art, sondern auch eine breite Palette von Informationen über die Genetik ganzer Populationen verraten kann.
Die Fortschritte in der Umwelt-DNA (eDNA) eröffnen neue Möglichkeiten zum Schutz gefährdeter und gefährdeter Arten und zur Bewältigung zerstörerischer invasiver Arten.
„Dieser Durchbruch ist Teil einer kontinuierlichen Entwicklung, bei der immer mehr aus eDNA gelernt wird. Diese neue Studie erfasst die genetische Variation innerhalb einer Art“, sagte David Lodge, Co-Autor der Studie und Francis J. DiSalvo-Direktor des Cornell Atkinson Center for Nachhaltigkeit. „Zum Schutz der Artenvielfalt nähern wir uns immer mehr dem an, was Kriminaltechniker jeden Tag an Tatorten tun.“
In der neuen Studie, veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenzeigten die Forscher, dass ihre Methode bei der Feldbeprobung von invasiven Rundgrundeln in den Großen Seen und den New York Finger Lakes erfolgreich war.
Die Arbeit baut auf einer Pilotstudie im Cayuga Lake vor zwei Jahren auf, bei der die Forscher Gewebeproben von Rundfischen und eDNA-Proben des Wassers, in dem die Fische lebten, entnahmen. Sie fanden heraus, dass die beiden Methoden vergleichbare genetische Informationen lieferten.
Die Erstautorin beider Studien ist Kara Andres, Ph.D. ’22, ein ehemaliger Doktorand in Lodges Labor und jetzt Postdoktorand an der Washington University in St. Louis. Sie schrieb die Arbeit zusammen mit den Co-Autoren Lodge, die auch Professorin in der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie am College of Agriculture and Life Sciences ist, und Jose Andrés, einem Fakultätsmitglied von Cornell Atkinson und leitendem wissenschaftlichen Mitarbeiter, der Co-Direktor ist die Cornell Environmental DNA and Genomics Core Facility.
In den Zellen der meisten Tiere enthält der Zellkern zwei Kopien des vollständigen genetischen Codes, aber jede Zelle enthält 100 bis 1.000 Kopien einer kleineren, abgespeckten Version des genetischen Codes in den Mitochondrien. Der Großteil der bisherigen Forschung zu eDNA konzentrierte sich auf mitochondriale DNA, da diese in Umweltproben wahrscheinlich viel häufiger vorkommt, sagte Kara Andres. Während mitochondriale DNA gut zur Unterscheidung zwischen Arten geeignet ist, liefert sie weitaus weniger Informationen über die Variation innerhalb der Arten als Kern-DNA.
„Das Kerngenom ist viel, viel größer und weist viel mehr Variationen innerhalb der Arten auf“, sagte Kara Andres. „Als ich mit meiner Doktorarbeit begann, kannten wir niemanden, der auch nur versucht hatte, im Rahmen der eDNA-Probenahme nach Variationen im Kerngenom zu suchen – wir wussten nicht einmal, ob das möglich war.“
In ihrer Great-Lakes-Studie, bei der Wasser- und Gewebeproben von runden Grundeln an 13 Standorten vom Lake Michigan bis zum Oneida Lake gesammelt wurden, stellten die Forscher fest, dass ihre eDNA-Probenahmemethode zum Nachweis nuklearer genetischer Variationen verwendet werden kann, was eine genetische Analyse ermöglicht Vielfalt und Variation innerhalb der Arten. Diese Informationen sind für die Bewirtschaftung natürlicher Ressourcen nützlich, da sie ihnen dabei helfen können, die Quelle einer neuen invasiven Population zu ermitteln, weitere Invasionen zu verhindern oder Schäden zu minimieren, indem sie feststellen, wie sich invasive Arten bewegen und wie man sie stoppen kann.
Der Durchbruch kann Wissenschaftlern auch helfen, die Demografie gefährdeter Arten zu verstehen, ohne dass Tiere, die bereits selten und gefährdet sind, physisch gefangen werden müssen. Arten, die einen Bevölkerungsrückgang erleiden, können unter einem Verlust der genetischen Vielfalt leiden, und eDNA könnte es Forschern ermöglichen, diesen Rückgang früher zu erkennen, sagte Kara Andres.
„Es ist ein wichtiger Schritt zur Erschließung des vollen Potenzials genomischer Techniken bei der Anwendung auf aquatische eDNA-Proben“, sagte Jose Andrés. „Ich gehe davon aus, dass wir mit dieser Technik in naher Zukunft den Status und die Gesundheit schwer fassbarer Arten untersuchen können. Ich glaube, dass dies tiefgreifende Auswirkungen hat, insbesondere auf die Meeresumwelt.“
Mehr Informationen:
Kara J. Andres et al., Umwelt-DNA enthüllt die genetische Vielfalt und Populationsstruktur einer invasiven Art in den Laurentian Great Lakes, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2307345120