Neue Technik erkennt unterschiedliche Fischpopulationen in einem einzigen See anhand ihrer Umwelt-DNA

Die Verwendung der winzigen DNA-Fragmente, die Tiere bei ihrer Bewegung durch eine Umwelt hinterlassen, ermöglicht Forschern einen immer besseren Einblick in den Ort und die Art und Weise, wie sie leben.

Eine neue Studie hat es Wissenschaftlern ermöglicht, nicht nur zu sehen, welche Fischarten in einem See vorkommen, sondern auch zu ermitteln, wie sich die Populationen dieser Fische unterscheiden.

Die Entwicklung von Wassertests auf Umwelt-DNA (eDNA) hat es Wissenschaftlern und Naturschützern ermöglicht, zu erfahren, welche Arten in letzter Zeit in einem bestimmten Gebiet gelebt haben oder sich durch dieses bewegt haben.

Aber die Technik hat ihre Grenzen. Typischerweise testen Forscher auf einen DNA-Typ, der als mitochondriale DNA bekannt ist. Dies ist zwar nützlich, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein bestimmter Arten in einer Probe von beispielsweise Seewasser mit binärem Ja oder Nein zu bestimmen, ist jedoch oft nicht präzise genug, um detailliertere Informationen über die Populationen dieser Arten zu liefern.

Dazu müssen Forscher nach der sogenannten Kern-DNA suchen. Das Problem hierbei ist, dass jedes Kerngenom viel größer, aber weniger häufig vorkommt als mitochondriale DNA. Dies macht jedes einzelne Fragment der nuklearen eDNA in der Umwelt viel seltener und schwieriger zu isolieren.

Aber wenn es gelingt, könnte das Potenzial riesig sein. So könnten Forscher beispielsweise komplexe genetische Veränderungen innerhalb und zwischen Tierpopulationen verfolgen, ohne jemals die Art selbst sehen zu müssen.

Hier kommt Dr. Rupert Collins, leitender Kurator für Fische am Natural History Museum, mit seinen Kollegen von der University of Bristol, der University of Cambridge und dem Tanzania Fisheries Research Institute ins Spiel. Es ist ihnen gelungen, die nukleare eDNA von zwei verschiedenen Fischpopulationen zu entdecken, die im selben See leben.

„Ich bin immer noch erstaunt, dass es so gut funktioniert hat“, sagt Rupert. „Es war wirklich ein Zukunftsprojekt.“

Der Ergebnisse wurden veröffentlicht in iScience.

Das Labor der Natur

Die unzähligen Seen, die im Grabenbruch Ostafrikas verstreut sind, werden oft als natürliches Labor bezeichnet.

Dies liegt daran, dass die Seen, ähnlich wie die Galapagos-Inseln Vogelpopulationen isolierten, was zur Entstehung neuer Arten führte, für Fische wie isolierte Inseln wirken. Dies gilt insbesondere für eine Fischgruppe, die als Buntbarsche bekannt ist.

Die fortwährenden geologischen Umwälzungen in der Region, die dazu führten, dass sich die Erdkruste aufspaltete und sich in dieser Zeit unzählige Seen und Flüsse bildeten, trennten Fischbestände, führten andere zusammen und verursachten gleichzeitig den Untergang weiterer Fischpopulationen. Dieser dynamische Prozess hat dazu geführt, dass diese Seen mindestens 1.500 verschiedene Arten von Buntbarschen beherbergen, obwohl selbst dies höchstwahrscheinlich eine erhebliche Unterschätzung darstellt.

Aber nicht nur zwischen Seen gibt es Unterschiede in der Fischpopulation. Selbst innerhalb von Seen kann es mehrere Lebensräume geben, die es den Fischen ermöglichen, sich allmählich voneinander zu unterscheiden und sich zu mehreren Arten zu entwickeln.

„Dieses ähnliche Muster beobachten wir auch bei Süßwasserfischen der nördlichen Hemisphäre“, erklärt Rupert. „Als sich alle Eisschichten zurückzogen und Seen entstanden, vollzog sich die Evolution schnell, da neue Lebensräume freigelegt wurden.“

„Es ist also nichts Tropenspezifisches. Es passiert direkt vor unserer Haustür, aber mit Saiblingen, Stichlingen und Weißfischen statt Buntbarschen.“

Der Masoko-See in Tansania ist ein großartiges Beispiel dafür, wie dies passieren kann. Es handelt sich um einen fast perfekt kreisförmigen Kratersee, der bis zu einer Tiefe von etwa 35 Metern abfällt. Darin befindet sich eine Buntbarschart namens Astatotilapia calliptera, die sich in den letzten 1.000 Jahren in zwei Populationen geteilt hat. Bei den Fischen, die in den flacheren Ufern des Sees leben, sind die Männchen typischerweise gelb gefärbt und ernähren sich von wirbellosen Bodentieren, während diejenigen, die im tieferen Wasser leben, stattdessen tiefblau sind und sich von schwimmendem Zooplankton ernähren.

Obwohl sie an unterschiedlichen Orten im See leben, unterschiedlich aussehen und sich unterschiedlich verhalten, sind die beiden Populationen möglicherweise genetisch nicht so unterschiedlich, dass sie als eigenständige Arten gelten könnten (obwohl sie sich durchaus auf diesem Weg befinden könnten).

Dies bedeutet jedoch, dass die Fische das perfekte Subjekt für eine Studie waren, um herauszufinden, ob es möglich ist, genetische Variationen innerhalb einer Art allein durch Wasserproben zu erkennen.

Testen Sie das Wasser

Rupert und seine Kollegen entnahmen Wasserproben aus verschiedenen Tiefen des Sees, von der Oberfläche bis nahe zum Boden. Anschließend wurde das Wasser gefiltert, um die darin enthaltene DNA zu isolieren.

Anschließend analysierten die Forscher die aus dem Wasser in verschiedenen Tiefen extrahierte eDNA und testeten sie, um nach der spezifischen genetischen Variation zu suchen, die eher bei den flacheren gelben Fischen oder den tieferen blauen Fischen zu finden ist.

Über eine Entfernung von nur 20 Metern stellte das Team fest, dass die mit dem gelben Fisch verbundenen genetischen Variationen in den flacheren Gewässern häufiger vorkamen und die mit den blauen Fischen verbundenen genetischen Variationen im tieferen Wasser häufiger nachweisbar waren.

„Wir verglichen die eDNA mit sequenzierten Genomen jeder Population und fanden in jeder Tiefe eine positive Assoziation“, sagt Rupert. „Das Tiefenmuster ist da, was erstaunlich ist.“

Dies zeigt zum ersten Mal, wie die innerhalb einer Art beobachtete Variation durch die Probenahme nuklearer eDNA über unglaublich kurze Distanzen erkannt werden kann. Obwohl es sich beim Masoko-See um eine ziemlich geschlossene Umgebung handelt, ist die Arbeit zumindest ein Beweis dafür, dass die Probenahme auf nukleare eDNA möglich ist und dass sie weitere Anwendungen haben könnte.

Eine solche Situation könnte bei Kabeljau auftreten, erklärt Rupert. Da die kommerzielle Fischerei zugenommen hat und der Klimawandel die Gewässer Europas erwärmt hat, geht es den südlichen Populationen dieser an die Kälte angepassten Art schlecht, während es den nördlicheren Populationen besser geht. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass sich die Populationen anpassen, und hier könnte eDNA ins Spiel kommen.

„Wir könnten zum Beispiel auf bestimmte Gene abzielen, die an der Anpassung an wärmere Gewässer beteiligt sind“, erklärt Rupert. „Wir konnten sehen, was ganze Kabeljau-Populationen tun, indem wir uns die Wasserproben ansahen, ohne tatsächlich einen Fisch zu fangen.“

„Das ist die Theorie. Aber es gibt einen großen Unterschied, ob man es in einem kleinen See oder im Meer macht.“

Eine weitere Verfeinerung und Weiterentwicklung der Techniken dürfte es Forschern und Naturschützern hoffentlich ermöglichen, sich ein immer klareres Bild davon zu machen, wie es den schwer zu untersuchenden Tieren ergeht.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung des Natural History Museum erneut veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte Hier.