BiodiversitätGenetische Biodiversität

Biodiversität

„Die Vielfalt der Arten auf der Erde, die genetische Vielfalt sowie die Vielfalt von Ökosystemen.“(Bezeichnung gemäß dem „Übereinkommen über biologischen Vielfalt)“

Somit umfasst sie drei verschiedene Ebene: Artendiversität

die Vielzahl an Arten Ökosystem-Diversität

die Vielfalt an Lebensräumen und Ökosystemen genetische Diversität

die Vielfalt aller Gene innerhalb einer Art (= genetische Variation) und die gesamte genetische Vielfalt einer Biozönose oder eines Ökosystems

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Methoden

genetische Diversität durch Beobachtung alleine nicht exakt bestimmbar

Pedigree-Daten Morphologische Marker RAPDs RFLPs AFLPs Mikrosatelliten

Problem:

Pedigree-Daten

Stammbaum-/Ahnendaten Berechnung der genetischen Diversität beruhend auf

Untersuchungen von verwandschaftlichen Beziehungen Wichtige Methode in der Zucht (z.B. Zoos)

Vermeidung von Inzucht

keine Daten des genetischen Codes nötig

Beobachtungen vieler oder sogar aller Individuen über langen Zeitraum (mehrere Generationen) nötig für Freilandbeobachtungen eingeschränkt oder nicht

anwendbar

Morphologische Marker

monogen dominant/rezessive vererbte, am Phänotyp erkennbare spezifische Eigenschaften ( z.B. Wuchsform oder Krankheitsresistenz)

dienten bis in die siebziger Jahre Maß für den genetischen Abstand/Diversität

bilden noch heute die Grundlage der systematischen Biologie, anhand derer die taxonomische Einordnung von Organismen erfolgt

lassen Aussagen über evolutionäre Prozesse zu Können irreführend sein, Verwandschaften

„vortäuschen“

RAPD – Zufällig amplifizierte polymorphe DNA

die RAPD-Methode ist eine PCR mit einem (oder mehreren) zufällig erzeugten, kurzen Primern (8–12 Nukleotide) DNA-Abschnitte mit der entsprechenden Sequenz werden

amplifiziert* bei der Elektrophorese entstehen individuelle

Bandenmuster, welche erlauben, die Erbsubstanz unterschiedlicher Lebewesen zu vergleichen, ohne diese im Detail zu kennen keine aufwendigen Sequenzierungen erforderlich

In der Praxis dient das Verfahren zur Untersuchungen der phylogenetischen Verwandtschaft von Tier- und Pflanzenarten.

*vermehrt

RFLPs - Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus Untersuchung der Entstehung und des Verlustes

von Restriktionsstellen durch Mutation zu untersuchender Genabschnitt wird mit

Restriktionsenzym verdaut Ähnlichkeit kann durch die Entstehung von

gleichen oder ungleichen Fragmentlängen bei der Elektrophorese (direkt) abgelesen werden

Nutzung:

dient zur Genkartierung dient zur Suche nach Quantitative Trait Loci,

Zur Untersuchung der genteischen Biodiversität ist nur nur Teilweise geeignet, da die Methode eine zu geringe Auflösung besitzt größere Genabschnitte einer Art zu vergleichen

nur mit sehr „groben“ Restriktionsenzymen anwendbar, da sonst zu viele Fragmente entstehen

oder nur kleiner Abschnitt des Gens exakt untersuchbar

AFLPs- - Amplifikationtsfragmentlängenpolymorphismus Untersuchung der Entstehung und des

Verlustes von Restriktionsstellen durch Mutation

zu untersuchender Genabschnitt wird mit zwei Restriktionsenzymen verdaut, wobei

ein Enzym eine 4 Basenpaaren Erkennungssequenz besitz recht kurz => häufige Schnitte (frequent cutter)

das andere Enzym eine 6 Basenpaaren Erkennungssequenz besitz schneidet seltener („rare cutter“)

3 Fragmenttypen (a/a => am häufigsten, a/b, b/b => selten)

Erster Schritt:

Zwischenergebniss:

Erste Amplifikation

Primer mit 1 bis 2 definierten Basen am Ende werden zugegeben Nur Fragmente mit den entsprechenden Basen

werden amplifiziert*

Reduktion der Fragmentanzahl um 1/16 bei einer Base und 1/256 bei 2 Basen

*vermehrt

Zweiter Schritt:

Zwischenergebniss:

Zweite Amplifikation

erneute Zugabe von Primern mit weiteren zwei „Extrabasen“ unter Markierung des „rare cutters“

Reduktion der Fragmentzahl auf 1/256

und Reduktion auf Fragmente vom Typ a/b und

b/b

Dritter Schritt:

Ergebniss:

Nutzung:

durch die Methode des AFLP ist es möglich größere Genabschnitte und sogar ganze Genome von nahezu identischen wie auch artverschiedenen Individuen exakt zu untersuchen

sehr gut geeignet zur Untersuchung der genetischen Biodiversität

Problem Restriktionsstücke stellen keine neutrale Marker da

Mikrosatelliten oder SSR - Simple

Sequence Repeats Mikrosatelliten sind kurze, am selben Locus

konzentrierte nicht kodierende DNA-Wiederhohlungen (z.B. 5`CACACA…3`)

können zur Ähnlichkeitsanalyse verwendet werden, da die Anzahl der Wiederholungen sich bei verschiedenen Individuen (durch Crossing-over) unterscheidet

d.h. bei der Restriktion, entstehen DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge

Nutzung:

Methode mit der höchsten Auflösung neutrale Marker

„Repeats“ unterliegen (fast) keinerlei Selektionsdruck (im Gegensatz zu möglichen Veränderungen in Restriktionsfragmenten)

Jedoch sehr Aufwendig, da „Repeats“ zuvor erst mit anderen Methoden (z.B. DNA-

Sequenzierung) lokalisiert werden müssen.

„Problem“ Lepomis macrochirus Grundsatz der genetischen Biodiversität:

Je größer eine Population, desto höher ihre Fähigkeit sich anzupassen.

Jedoch:Wie konnten 15 Individuen vom Lepomis

macrochirus, welche 1960 in Japan eingeführt wurden, zur heute dominierenden Art werden

(über 50 Mill. Exemplare)?

Lepomis macrochirus

Bildquelle: http://www.livt.net/Clt/Ani/Cho/Ost/Pcm/Pcf/Pcd/Cnt/cnt007.jpg

Lepomis macrochirus – blauer Sonnenbarsch

Vorkommen: Flüsse der USA (mittlerweile selten)

(seit 1960 Japan und Korea) Nahrung: Allesfresser (ursprüngliche Form)

Einführung: vom Japanischen Kaiser selbst zur Ansiedlung als wohlschmeckender Speisefisch

Ursprungstheorie

Die gefangenen blauen Sonnenbarsche sind verschiedenen Ursprungs und ermöglichten so bei einer kleinen Individuenzahl eine hohe genetische

Diversität.

RFLP-Analyse vom mitochondrialen D-loop und einer NADH verschlüsselnden Unterregion vieler

Individuen des Ursprungs- und des Verbreitungsgebietes.

Theorie:

Untersuchungsmethode:

UrsprungstheorieErgebniss:

38 verschiedene Haplotypen in den USA

• Fanggebiet – „Gutenbergpopulation“

haplotypen

Gutenbergpopulation

Variante einer Nukleotidsequenz im Genom eines Lebewesens mit zufälligen

Mutationen

UrsprungstheorieErgebniss: 5 verschiedene Haplotypen

in Japan

haplotypen

Gutenbergpopulation

Ursprungstheorie

alle 5 in Japan vorkommenden Haplotypen sind in den 6 Haplotypen der „Gutenbergpopulation“ enthalten

4 von 5 Haplotypen sind einzigartig in „Gutenbergpopulation“ vorhanden

Alle Japanischen Tiere vom gleichen Ursprung!

Keine erhöhte genetische Diversität für Erfolg verantwortlich.

Ökologische Nische

Lepomis macrochirus besetzte in japanischen Gewässern eine freie ökologische Nische

optimal und konnte sich so, ohne Konkurenz und ohne größere Anpassung an veränderte

Umweltbedingungen, rassant vermehren.

Unteruschung des Verhaltens in Japan und USA.

Theorie:

Untersuchungsmethoden:

Ökologische Nische

Verhalten USA: Allesfresser, im gesamten Gewässer

Verhalten Japan: 5 spezialisierte Typen

benthische Wirbellose im Küstenbereich Unterwasserpflanzen im Küstenbereich Zooplankton (Crustaceen) im tieferen Wasser Zwei verschiedene Arten von Copepoda

(Ruderfußkrebsen)

Ergebniss :

Ökologische Nische

Alle 5 Ernährungstypen besitzen morphologische Unterschiede.

Sind die unterschiedlichen Morphen am besten auf ihre Beute angepasst ?

Laborexperiment zur Untersuchung eines Zusammenhangs zwischen der Morphologie und

des Ernährungsverhaltens.

Beobachtung:

Frage :

Untersuchung:

Ökologische NischeErgebniss:

benthische WirbellosenMorphe

Zooplankton

Morphe

Hauptnahrung:

Durch verschiedene morphologische Modifizierungen gelang es Lepomis macrochirus

sich an verschiedene Gebiete optimal anzupassen und sich so rasant in diese

auszubreiten.

Ökologische NischeErgebniss:

Umweltbedingte Anpassungsfähigkeit

Wie erklärt sich die hohe Anpassungsfähigkeit bei so extrem geringer Population und niedriger genetischer Biodiversität.

im Verhalten der ursprünglichen (USA) Vertreter von Lepomis macrochirus sind alle anderen Verhalten integriert

jedoch keine Umweltfaktoren bedingen eine Speziallisierung auf ein bestimmtes Verhalten (eine Beute)

Fähigkeit aus einem Genom durch unterschiedliche ökologische Einflüsse

(hier die bereits vorhandene Gewässerfauna Japans) verschiedene morphologische Merkmale auszuprägen.

Weiter Erkenntnisse:

Anhand der umfangreichen Daten (exakte Dokumentierung der Einwanderungsdaten sowie die RFLP-

Analysen von Lepomis macrochirus in den einzelnen Gebieten Japans) kann man sehr gut die Wirkung von zwei

Effekten darstellen, welche einen wichtigen Einfluss auf die genetische Biodiversität

besitzen. Gründereffekt („Founder-Effect“)

und

Gendrift

Gründereffekt

beschreibt eine genetische Abweichung

einer isolierten Population („Gründerpopulation“) von der Stammpopulation

Abweichung entsteht aufgrund der geringen Anzahl vorhandenen Allele, der an ihrer Gründung beteiligten Individuen und nicht infolge unterschiedlicher Selektionsbedingungen

Folgen

Genpool der Ausgangsart in der Regel nur unvollständig repräsentieren

Mangel an Ausgangsmaterial für die genetische Selektion verringerte Überlebenschancen beim Auftreten extremer

Umweltbedingungen deutlich geringere geno- und phänotypische

Variabilität der Nachkommen

in einigen Fällen kann der Gründereffekt auch zur Entstehung neuer Arten führen: z.B.: Darwinfinken auf den Galápagos-Inseln

Artenstehung durch Gründereffekt die Fixierungswahrscheinlichkeit eines Allels ist im

Allgemeinen gleich ihrer anfänglichen Allelfrequenz entsteht z.B. durch Mutation ein neues Allel so tritt

dieses einmal unter 2 Allelen (diploid) in N (gesammte Population) Individuen auf Allelfrequenz des neues Allels ist demnach 1 / (2N) Wahrscheinlichkeit mit der sich dieses Allel durchsetzen

wird ist ebenfalls 1/(2N) vorteilhafte Allele können sich in kleinen Populationen

mitunter leichter/schneller durchsetzen als in großen

Gendrift Wahrscheinlichkeitseffekt

beruht darauf das weitergegebene Gene, keine vollständige Kopie der Gene der erfolgreichen Mitglieder, sondern eine zufällige Auswahl aller Gene sind

Stichprobe mit zufälligen Schwankungen

mögliche Abweichung der Zusammensetzung der Genfrequenz

Gendrift ist durch statistische Ursachen umso stärker bemerkbar je kleiner eine Population ist

Beispiel Münzenwerfen: 50% Wahrscheinlichkeit, welche jedoch erst mit höherer Anzahl von Würfen

eintritt

Deshalb sind bei kleinen Populationen die Fluktuationen der Genfrequenzen größer als bei Populationen mit

vielen Individuen.

geschieht dies, sind die Genfrequenzen im Genpool gedriftet

Gendrift und natüliche Selektion sind Evolutionsfaktoren und wirken gleichzeitig bewirken eine Änderung in der Zusammensetzung des Genpools

Häufigkeit von bestimmten Allelen und damit die vorherrschenden phänotypischen Merkmale werden verändert

Gendrift: Veränderung in der Häufigkeit der Allele unabhängig von Vor- oder Nachteil Zufallsbedingt und unabhängig von der genetischen Fitness

natürliche Selektion: phänotypischen Merkmale (und damit Allele) bevorzugt, welche die genetische Fitness

erhöhen

In großen Populationen, wo der Gendrift klein ist, wird die natürliche Selektion selbst bei niedrigem Selektionsdruck den größeren Betrag zur Veränderung der

Genfrequenzen haben. In kleinen Populationen werden die größeren statistischen Schwankungen durch den Gendrift die Änderungen durch

Selektion überlagern.

Gendrift am Beispiel von Lepomis macrochirus

Starke Abhnahme des Genpools durch Gendrift in der

Population von Lepomis macrochirus bedingt

durch den Gründereffekt in den

1960ern.

Genetischer Flaschenhals

durch geringe Populationsgrößen (Gründereffekt) hervorgerufenes Problem, das ein Fehler in der Erbinformation eines Allels nicht durch ein zweites gesundes Allel ausgeglichen werden kann

Folgen sind: Inzuchtdepression und damit erhöhte Anfälligkeit Kann zum Aussterben einer bereits bedrohten Art

führen

Fazit:

Um einen effektiven Schutz einer Art oder der Biodiversität im Allgemeinen zu gewährleisten,

nützt es nichts nur die Artdiversität durch wenige Vertreter aufrecht zu erhalten. Sondern

man muss ganze/größere und verschiedene Populationen schützen, da es sonst schon vor

dem eigentlichen Aussterbeprozess zur Verarmung der genetischen Diversität kommt, was eine Minderung der Anpassungsfähigkeit

(durch Gründereffekt, Gendrift…) und somit der zukünftigen Überlebenschance nach sich zieht.

Quellen

Paper: „A peculiar relationship between genetic diversity and adaptability in invasive exotic species: bluegill sunfish as a model species“

Paper: „Potentials for monitoring gene level biodiversity: using Sweden as an example“

Vorlesung: „Naturschutz Genetik“ von Dr. Andrea R. Pluess,Institut fuer Terrestrische Oekosysteme

Vorlesung: „Erhalt genetischer Diversität“ von N. Michiels Internet:

http://ipp.boku.ac.at/pz/uebungen/Div_1.htm http://www.genres.de/infos/pdfs/bd08/08_13.pdf http://www.eawag.ch/publications/eawagnews/www_en56/en56d_screen/

en56d_winder_s.pdf http://books.google.de/books?

id=zjNWtnudFGQC&pg=PA210&lpg=PA210&dq=methoden+genetische+diversit%C3%A4t&source=web&ots=VGXJGnCTYt&sig=f58BNYLvBkHQX458VgsppJU_iJQ&hl=de&sa=X&oi=book_result&resnum=1&ct=result#PPA216,M1

http://www.dgaae.de/html/publi/mitt2006/067.pdf http://ubt.opus.hbz-nrw.de/frontdoor.php?source_opus=353