Entwicklung eines Bewertungsverfahrens für Biodiversität und die Vitalität von Bestäubern in Agrarflächen

Rund 70 % der weltweit angebauten Kulturpflanzen profitieren von Bestäubern. Jedoch sind Bienen wie auch andere Tiere durch landwirtschaftliche Stressoren gefährdet. Detailliertes Wissen über das Sammelverhalten in verschiedenen Landschaftsszenarien ist also notwendig, um zu gewährleisten, dass die Bestäubung durch Bienen als wichtige Ökosystemdienstleistung auch in Zukunft bereitgestellt werden kann. Dafür geeignete Sequenzierungsmethoden durchzuführen und die entstandenen Sequenzdaten so aufzubereiten, dass diese Methoden nicht nur evaluiert werden können, sondern auch auswertbare Ergebnisse entstehen, ist ein wichtiger Schritt zur Etablierung eines nachhaltigen Naturschutzes. Längerfristig soll die Nanoporensequenzierung vor allem für Sofort-Untersuchungen im Feld eingesetzt werden. Das heißt, dass im Feld die Proben entnommen, aufbereitet und mit dem MinION sequenziert werden, um schnell Ergebnisse zu erhalten und entsprechend zu handeln können. Bereits 2015 wurde eine bahnbrechende diagnostische Untersuchung im westafrikanischen Ebolagebiet Guinea durchgeführt, indem in Echtzeit mit dem MinION das Ebolavirus sequenziert wurde. Demzufolge konnten schnelle Maßnahmen zur Versorgung der Patienten getroffen werden1.

Unser Beitrag

Biomonitoring anhand von Umwelt-DNA-Analysen durchzuführen, zeichnet sich durch eine besonders tier- und umweltfreundliche Arbeitsweise aus2. Dabei wird auf DNA-Material zurückgegriffen, dass sich in der Umwelt befindet wie zum Beispiel in Bodenproben, Flusswasser oder Sediment. In Pollen, der an Bestäubern haftet, befindet sich ebenfalls DNA3. Auf den Sammelflügen von Bienen etwa bilden sich sogenannte Pollenhöschen an den Beinen der Tiere, die für die Versorgung der Brut in den Nestern bzw. Stöcken eingelagert werden4. Eine genetische Analyse der gesammelten Pollen-DNA lässt Rückschlüsse auf das Sammelverhalten zu. Je nach Positionierung der Bienenstöcke können so ökologische Fragestellungen bearbeitet werden.
Mit der Etablierung genomischer Untersuchungen lassen sich genauere und aufschlussreichere Aussagen über biologische Fragestellungen treffen2. So können Ökologen bzw. Agrarwissenschaftler ableiten, welche Sammelstrategie Bestäuber in Anbetracht der geografischen Lage ihrer Bienenstöcke (massenblühende Felder, Weiden, Obstbaumplantagen usw.) verfolgen. So erfordert diese Art des Biomonitoring keinen störenden oder gar zerstörenden Observationsaufwand im Feld.

Bisherige Ergebnisse

Ausschnitte der Erbinformation (DNA) des von Hummeln und Honigbienen gesammelten Pollen wurden bereits mittels zweier DNA-Sequenziermethoden in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für funktionelle Agrarökologie der Georg-August-Universität Göttingen untersucht. Neben den Resultaten einer gängigen Polymerase-basierten Sequenzierungsmethode haben wir die neuartige Nanoporensequenzierung genutzt, um Pollen-DNA zu untersuchen5. Anhand eines speziellen Abschnittes im Pollen-Erbgut, der sogenannten ITS2-Region, wurden die aufgesuchten Pflanzen bioinformatisch identifiziert und die Pollenanteile quantifiziert. Dabei ergab sich, dass bei gleichen Standortbedingungen Hummeln ein breiteres Spektrum an Pflanzen besuchten als Honigbienen. Zudem beschränken sich beide nicht auf massenblühende Feldfrüchte wie Raps – immer werden, trotz Mehraufwand, weitere Blühpflanzen besucht. Dies kann als weiteres Argument für die Etablierung von Ackerrandstreifen angeführt werden.
Durch bioinformatische Analysen der Sequenzdatensätze wurde erkannt, dass die moderne Nanoporen-Sequenzierung für die Untersuchung gleichwertig geeignet ist, aber Vorteile durch die Portabilität sowie den geringeren Zeit- und Kostenaufwand aufweist6.


1  Quick, J.; Loman, N. & Duraffour, S. et al. (2016): Real-time, portable genome sequencing for Ebola surveillance. Nature. 530(7589):228-232. doi:10.1038/nature16996
2  Keller, A.; Grimmer, G. & Sickel, W. et al. (2016) DNA-Metabarcoding-ein neuer Blick auf organismische Diversität. BioSpektrum. 22: 147. DOI: 10.1007/s12268-016-0669-0
3  Taberlet, P.; Bonin, A. & Zinger, L. et al. (2018): Environmental DNA: For Biodiversity Research and Monitoring. Oxford University Press
4  Jarczok, R. (Rdk.) (2018) Arbeiten mit Bienen – Imkern. Garant Verlag GmbH
5  Leidenfrost, R.M.; Bänsch, S.; Prudnikow, L. et al. (2020) Analyzing the Dietary Diary of Bumble Bee. Front Plant Sci 11:1572. DOI: 10.3389/fpls.2020.00287
6  van Dijk, E. L.; Jaszyszyn, Yan; Naquin, Delphine et al. (2018): The third Revolution in Sequencing Technology. Trends in Genetics. 34(9):666-681. doi: 10.1016/j.tig.2018.05.008


Im Mittweidaer Team forschen Lisa Prudnikow, Robert Leidenfrost und Professor Röbbe Wünschiers. Das Forschungsprojekt wird vom Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus und dem Europäischen Sozialfond unterstützt.

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Publikationen

Leidenfrost RM, Bänsch S, Prudnikow L, Brenig B, Westphal C and Wünschiers R (2020) Analyzing the Dietary Diary of Bumble Bee. Front. Plant Sci. 11:287. doi: 10.3389/fpls.2020.00287

Konferenz- und Tagungsbeiträge

Herkunftsbestimmung von Pollen zur Analyse des Sammelverhaltens von Honigbienen und Hummeln durch Nanoporen- und Polymerase-basierte Sequenzierungsverfahren
Prudnikow, Lisa; Leidenfrost, Robert; Wünschiers, Röbbe
21ste Nachwuchswissenschaftlerkonferenz NWK20, Jena/Germany; Accepted 20.03.2020

Herkunftsbestimmung von Pollen zur Analyse des Sammelverhaltens von Honigbienen und Hummeln.
Lisa Prudnikow, Robert Leidenfrost & Röbbe Wünschiers
20ste Nachwuchswissenschaftlerkonferenz NWK19, Merseburg/Germany; 18-19th of June 2019

Reading Plant ITS2-Sequences with Nanopores and Polymerases: First Insights to Pros and Cons.
R Leidenfrost, S Bänsch, L Prudnikow, C Westphal & R Wünschiers
15th Gatersleben Research Conference on Applied Bioinformatics in Crops
Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, Gatersleben/Germany; 18-22nd of March 2019