Genetischer Fingerabdruck beim Wakenitz-Schilf

Hintergründe zur LOLA-Schilf-Summerschool 2010 Kursleiter: Prof. Dr. C.L. Schmidt

Vortrag: PD Dr. B. Kunze (11.05.2012)

?

Anwendungsgebiete des Genetischen Fingerabdrucks

z.B. Vaterschaftsgutachten, Kriminaltechnik

Vaterschaftstest

Kriminaltechnik

Die gleiche Technik ist auch auf Pflanzenmaterial anwendbar.

Die Ausgangssituation

- An der Wakenitz finden wir Schilf-Standorte, die

sich gut entwickeln (Groß Sarau, Absalonshorst)

und solche, die stark rückläufig sind (Kleiner See,

Eichholz).

- Warum ist das so?

- Spielen dabei genetische Faktoren eine Rolle?

- Wie können wir das untersuchen?

Schilf ist eine besondere Pflanze

Schilf kann sich sowohl generativ (über Samen)

als auch vegetativ (über Rhizomsprossen)

vermehren.

Wikimedia: Kenraiz

Wikimedia: Darkone

Wikimedia

Schilf (Phragmites australis)

Schilf ist eine besondere Pflanze

- Schilf kann sich sowohl generativ (über Samen) als auch vegetativ (über Rhizomsprossen) vermehren

- Das bedeutet, ein Schilfbestand kann aus vielen, genetisch unterscheidbaren Pflanzen bestehen …

- … oder im Extremfall aus den Nachkommen einer einzelnen Pflanze (ein Klon) …

- … oder aus einem Mosaik verschiedener Klone.

Klonales Wachstum kann sehr vorteilhaft sein:

Unter günstigen Bedingungen können schnell große

Flächen besiedelt werden. Die Pflanze spart den

Aufwand für die Bildung von Blüten und Samen.

Verschlechtern sich die Bedingungen, so sind davon

alle Individuen gleichermaßen betroffen.

Klonales Wachstum kann von Nachteil sein:

Warum ist das von Interesse ?

Wie können wir feststellen, welches dieser drei

Szenarien auf das Wakenitz-Schilf zutrifft?

Mit Hilfe des genetischen Fingerabdruckes der Schilfpflanzen.

Hierfür müssen wir die DNA des Schilfs isolieren.

Dabei begegnen wir einem Problem:

Der Zellwand!

Pflanzliche Zellwände können extrem stabil sein

– die DNA ist es leider nicht!

Quelle: plant-wissen.de Quelle: clipartlogo.com

Für die DNA-Isolation kann man fertige Kits kaufen:

1, 2, 3

4

5

6, 7

8

9

10

11

12 !!

Nach der Optimierung dieser Technik (www.qiagen.com) für unsere Schilf-DNA-Präparationen (im Vorfeld der LOLA-Summerschool) umfaßte die Arbeitsvorschrift 33 !! Arbeitsschritte (statt 12 in der Originalvorschrift).

Wie funktioniert ein genetischer Fingerabdruck ?

- Isolation der Erbsubstanz DNA

- Gezielte Vermehrung bestimmter DNA-Abschnitte mit PCR

- Um Unterschiede innerhalb einer Art zu finden, vermehrt man dabei NICHT die Gene (d.h. die Protein-kodierenden Abschnitte), da auf diesen ein Selektionsdruck liegt.

- Für einen genetischen Fingerabdruck vermehrt man die DNA-Bereiche zwischen den Genen, die nicht für Proteine kodieren, auf denen kein Selektionsdruck liegt, die sich also relativ leicht verändern .

Zusammensetzung des Genoms

Zusammensetzung des Genoms

38 %

1,5 %

Aus: T.A. Brown, Genomes 2, BIOS Scientific Publishers

2,8 %

d.h. 3,2 Mrd. bp

Repetitive, geclusterte DNA-Sequenzen

Mikrosatelliten

Länge der Basiseinheit (Repeat): 2 - 9 bp

Clustergröße: bis ca. 400 bp

Anteil am humanen Genom: bis 3%

STR-Marker: Short Tandem Repeats

Minisatelliten

Länge der Basiseinheit (Repeat): 10 - 100 bp

Clustergröße: 10.000 - 20.000 bp

VNTR-Marker: Variable Number of Tandem Repeats

(Jeffrey`s Minisatelliten, 1986)

Zwischen den Individuen einer Population sind die jeweiligen Clustergrößen variabel (durch unterschiedliche Repeat-Anzahlen); man spricht von einem Polymorphismus.

GEN 1 GEN 25 / 3

GEN 1 GEN 22 / 6

GEN 1 GEN 23 / 4

..... und viele andere Kombinationen

Mikrosatelliten-Analysen für botanische Fragestellungen

Ausbreitung des Feinwurzelsystems (Brunner u. Sperisen, 2005)

Quelle: Brunner u. Sperisen, 2005

Ausbreitung des Feinwurzelsystems

Quelle: (Th. Reusch, Forschungsbericht 2005, MPI für Evolutionsbiologie)

Klonales Wachstum in Seegraswiesen

Pflanzenzelle DNA – haltige Zellorganellen-Zellkern-Chloroplasten-Mitochondrien

Quelle: Informationsdienst Wissenschaft

1.2.

Karte des Chloroplasten - Genoms (der Karotte)

Polymorphe, intergenische Region

Verändert nach: www.springerimages.com

Die trnL-trnT Region im Chloroplastengenom des Schilfs

Diese DNA-Sequenzen sind der Datenbank (Internet) entnommen

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/

Mikrosatelliten-Polymorphismus im Kerngenom des Schilfs

Quelle: www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/

Welche DNA-Sequenzen wird das Wakenitz-Schilf an dieser Stelle des Genoms aufweisen ?

Finden wir die gleichen Polymorphismen oder neue ?

Können wir die vier Schilfstandorte genetisch unterscheiden ?

Zusammenfassung der genetischen Untersuchungen am Wakenitz-Schilf (Stand: Mai 2012)

Kernmarker: A1, A2, B1, C1, C2, C5 Chloroplastenmarker: CpI, CpII

2/11 Absalonshorst12/12 Eichholz 9/9 Kleiner See

1/11 Absalonshorst

8/11 Absalonshorst

9/9 Groß Sarau

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