Umwelt-DNA enthüllt geheime Riffbewohner

Welche tropischen Rifffische wo vorkommen, zeigt ein internationales Forscherteam anhand einer weltweiten Probenahme von Meerwasser. Um Arten und Familien zu identifizieren, nutzten sie erfolgreich die Rest-DNA, die von den im Wasser vorhandenen Tieren abgegeben wurde. Aber nicht alle Fische können auf diese Weise aufgespürt werden.

Tropische Korallenriffe sind farbenfroh, schön – und artenreich. Besonders groß ist die Vielfalt unter den Fischen: Forscher schätzen, dass Korallenriffe weltweit bis zu 8.000 Fischarten beherbergen.

Die globale Erwärmung und menschliche Aktivitäten führen jedoch dazu, dass Korallenriffe mit alarmierender Geschwindigkeit verschwinden, und wie viele Arten von Rifffischen es gibt und wo sie verbreitet sind, wurde noch nicht genau quantifiziert.

Ein Grund ist, dass viele Fischarten ein sehr verschwiegenes Leben führen, sich sehr ähnlich sind oder teilweise im offenen Meer leben und daher schwer zu entdecken sind. Um das Vorhandensein von Fischen in einem Gebiet zu erfassen, war die Biodiversitätsforschung hauptsächlich auf visuelle Beobachtungen durch Taucher (oder den Fang von Fischen) angewiesen.

Jetzt hält eine neue Methode Einzug in die Ökologie, die solche Schwierigkeiten umgeht: Umwelt-DNA (eDNA). Die Idee hinter diesem neuen Ansatz ist, dass Organismen ihr Erbgut oder Teile davon in der Umwelt hinterlassen.

Bei diesem Ansatz müssen die Forscher nur an einer Stelle Wasserproben entnehmen, die darin enthaltenen DNA(fragmente) isolieren und sequenzieren, also die Reihenfolge der DNA-Bausteine ​​bestimmen. Anschließend können sie die Sequenzen mit Referenz-DNA-Sequenzen vergleichen, die von zuverlässig identifizierten Proben stammen – und feststellen, ob eine Art an dem betreffenden Ort vorkommt.

Mit dieser Methode hat ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden der Universität Montpellier (Frankreich) und der ETH Zürich das Vorkommen von Rifffischen untersucht.

In den Jahren 2017 und 2019 sammelten die Forscher 226 Wasserproben an 26 Standorten in 5 tropischen Meeresregionen. Sie isolierten und analysierten die DNA, die sie dann den entsprechenden Arten oder Familien zuordneten.

Ein Sechstel größere Diversität erkannt

Mithilfe von eDNA fanden die Forscher eine um 16 Prozent höhere Vielfalt an Rifffischen als durch herkömmliche Erhebungsmethoden wie visuelle Beobachtungen während Tauchgängen. «Dank der eDNA-Methode können wir viele Fischarten und -familien viel schneller erkennen als mit Beobachtungen allein», sagt Loïc Pellissier, Professor für Ökosysteme und Landschaftsentwicklung an der ETH Zürich. Er ist einer der beiden Erstautoren einer Studie, die gerade in der Fachzeitschrift erschienen ist Verfahren der Royal Society B: Biologische Wissenschaften. Die DNA-Analysen waren nach nur zwei Jahren abgeschlossen, aber die visuellen Beobachtungen, die der Studie zugrunde lagen, stammten von unzähligen Beobachtern und decken 13 Jahre Beobachtungstätigkeit ab.

Mit dem neuen Ansatz entdeckten die Forscher mehr Arten, die im offenen Wasser schwimmen (pelagisch), riffgebundene Arten und Arten, die die zahlreichen Höhlen und Spalten in Riffen bewohnen (kryptobenthisch). Taucher sehen oder identifizieren solche Fische seltener.

Viele der registrierten pelagischen Arten bevorzugen das offene Meer oder größere Tiefen. Einige gehören zu Familien, die Taucher meiden oder nicht dauerhaft in Korallenriffen leben, wie Makrelen und Thunfische aus der Familie der Scombridae sowie Haie aus der Familie der Carcharhinidae (Requiemhaie, zB der Schwarzspitzen-Riffhai).

Die Entdeckung dieser Arten ist wichtig, da sie durch ihre pelagischen Larvenstadien oder ihre nächtlichen Wanderungen zum Riff aktiv an der Funktion eines Korallenriffs beteiligt sind. Die Rolle dieser Fische im Ökosystem wird daher oft unterschätzt.

Visuelle Beobachtungen sind (noch) notwendig

Allerdings lassen sich nicht alle Arten gleich gut mittels eDNA erfassen, wie z. B. Lippfische (Labridae) oder Schleimfische (Blenniidae). Referenzdatenbanken decken diese artenreichen Familien nur teilweise ab, sagt Pellissier. Aufgrund dieser Lücken ist ein erheblicher Teil der in den Wasserproben gefundenen eDNA noch nicht zugeordnet.

Um den Ansatz weiterzuentwickeln, arbeiten die Forscher intensiv daran, die DNA weiterer Fischarten zu sequenzieren und die Daten in die Referenzdatenbanken einzuspeisen. Dennoch werden Tauchgänge notwendig sein, um einige Arten zu erfassen, die mit eDNA schlecht erkannt werden, aber auch um zusätzliche Informationen wie Fischgrößen oder Biomasse zu sammeln, die (noch) nicht aus eDNA gewonnen werden können.

Außergewöhnliche Vielfalt im Korallendreieck

Die Forscher bestätigten auch frühere Ergebnisse, dass die Zusammensetzung der Arten zwischen marinen Bioregionen stark variiert. Im „Korallendreieck“ zwischen Borneo, Papua-Neuguinea und den Philippinen ist die Fischvielfalt außergewöhnlich hoch – bis zu fünfmal höher als beispielsweise in der Karibik. Pflanzenfresser (einschließlich korallenfressender Arten) sind dort besonders zahlreich.

Laut Pellissier hat das damit zu tun, dass das Korallendreieck im Laufe der Erdgeschichte sehr tektonisch aktiv war (und ist) und eine Vielzahl von Lebensräumen hervorbrachte. Auch die Oberflächentemperatur dieses Meeresgebietes war während der Eiszeiten stabiler, weshalb sich eine besonders hohe Vielfalt entfalten konnte.

Die Karibik hingegen war stärker dem Regime der Eiszeiten unterworfen, ihre Korallenriffe und Fischbestände schrumpften in den Kaltzeiten. Zudem entstand vor mehr als 2,7 Millionen Jahren die Landenge von Panama, die unter anderem die Meeresströmungen in der Karibik veränderte. Beide Ereignisse führten zu höheren Aussterberaten.