Genomische Methoden zur Beschreibung genetischer Diversität in Grasland

• Forschungsstelle: BLW
• Projektnummer: 16.31

Schlüsselwörter (Deutsch)

Grasland, genetischer Diversität, Genomische Methoden

Schlüsselwörter (Englisch)

Grassland, genetic diversity, genomic methods

Schlüsselwörter (Französisch)

Prairies, diversité génétique, méthodes génomiques

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die genetische Diversität, d.h. die Vielfalt der Gene, Allele und Genotypen innerhalb einer Pflanzenart ist ein wichtiger Bestandteil der Biodiversität und bildet die Grundlage für die Pflanzenzüchtung. Die Bestimmung der genetischen Diversität innerhalb von Graslandflächen und die Analyse von Veränderungen innerhalb der Arten ist äusserst anspruchsvoll und bis jetzt existieren keine einfach anzuwendenden Methoden. Entsprechende Untersuchungen erforderten bisher das Sammeln von 20-60 Einzelpflanzen pro Art und Feldversuche unter kontrollierten Bedingungen oder teure Analysen von Einzelproben mit molekulargenetischen Markern.

Die enormen technologischen Entwicklungen im Bereich der DNA Sequenzierung ermöglichen es bereits heute, Pflanzenarten in Mischproben relativ kostengünstig zu bestimmen (DNA Barcoding). Auch eine Bestimmung der genetischen Diversität mittels Sequenzierung ist grundsätzlich möglich, Erfahrungen mit Mischproben fehlen jedoch weitgehend. Obwohl Herausforderungen bezüglich Probennahme, Probenaufbereitung und Datenanalyse bestehen, könnte eine genomische Methode eine detaillierte und effiziente Beurteilung der genetischen Diversität in Grasland Standorten ermöglichen.

Im Rahmen einer Dissertation soll 1) eine Methode zur Bestimmung der genetischen Diversität basierend auf der DNA Sequenz entwickelt und 2) als „proof of concept“ in 3-6 ausgewählten Arten angewendet werden. Diese Methode soll dazu dienen, den Wert von Grasland Standorten bezüglich ihrer genetischen Diversität beurteilen zu können.

Projektziele (Deutsch)

Das Hauptziel dieses Projektes ist, zu evaluieren, ob molekulargenetische Methoden wie DNA Sequenzierung geeignet sind, um die pflanzliche Biodiversität (inklusive genetischer Diversität von Schlüsselarten) in Graslandflächen effizient und mit vertretbarem finanziellem Aufwand zu bestimmen. Dabei werden folgende Teilziele verfolgt:

1. Optimierung des DNA Barcoding für die zur Erhaltung relevanten Futterpflanzenarten
2. Entwicklung und „proof of concept“ einer Mischproben-Barcoding Analyse zur Bestimmung der (qualitativen) Artenzusammensetzung in Graslandflächen
3. Evaluierung verschiedener Methoden zur Bestimmung der genetischen Diversität in Futtergräsern und –Leguminosen (Literaturstudie)
4. Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der genetischen Diversität von 2-6 Arten basierend auf nach Art getrennten Mischproben und „proof of concept“ in ausgewählten Flächen
5. Evaluierung der Möglichkeiten genetische Diversität verschiedener Arten in einer Mischprobe zu bestimmen und, bei Erfolg, Entwicklung einer geeigneten Methode
6. Erarbeiten einer detaillierten Anleitung zur Bestimmung der Biodiversität basierend auf den Resultaten aus den Projektzielen a-e.

Zusätzlich werden die für die Erreichung der obengenannten Ziele notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen erarbeitet. Insbesondere werden folgende Fragen untersucht: 1) Welche Sammelstrategien sind notwendig, um die genetische Diversität einer Fläche in einer einzelnen Mischprobe (oder wenigen Mischproben) abzubilden? 2) Wie kann die genetische Diversität innerhalb einer Art bewertet werden (z.B. durch den Vergleich mit standardisierten Proben die unterschiedliche genetische Diversität aufweisen)?

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Die genetische Diversität innerhalb von Pflanzenarten und -populationen ist für die Erhaltung von genetischen Ressourcen für die Pflanzenzüchtung und für die generelle Erhaltung der Biodiversität in nachhaltigen Agrarökosystemen von grosser Bedeutung. Das Ziel dieses Projektes war es, molekulargenetische Methoden zu evaluieren und zu entwickeln, um eine effiziente und kostengünstige Bestimmung der pflanzlichen Biodiversität (inklusive der genetischen Diversität von Schlüsselarten) zu ermöglichen.

In einer detaillierten Literaturstudie wurden ein grosser Forschungsbedarf für die molekular-genetische Bestimmung der Biodiversität in Grasland festgestellt. Insbesondere für die genetische Diversität zeigten sich Methoden basierend auf «high-throughput-sequencing» als erfolgversprechend. Für eine qualitative Bestimmung der Artenzusammensetzung, wurden verschiedene DNA Barcodes getestet und optimiert. Mit dem Barcode trpH-psbA konnten alle fünf Leguminosen und drei der elf getesteten Gräser eindeutig identifiziert werden. Für die Bestimmung der genetischen Diversität innerhalb erwies sich eine auf der gezielten Sequenzierung von elf Genorten basierende Methode als geeignet, um Aussagen über die genetische Diversität innerhalb von Arten wie Englisch Raigras, Wiesenschwingel, Rot- und Weissklee oder Knaulgras zu machen. In einer ersten Pilotstudie zeigte sich, dass dieser Ansatz auch die Möglichkeit bietet, die genetische Diversität in Mischproben verschiedener Arten zu bestimmen.