Wildtiergenetik

In der Wildtiergenetik an der FVA werden Fragestellungen aus der Forschung und aus dem Monitoring mit molekulargenetischen Methoden bearbeitet. Grundlage ist die genetische Variation verschiedener DNA-Abschnitte, die sich zwischen Arten, Populationen oder Individuen unterscheiden. Neben der genetischen Artbestimmung findet die Wildtiergenetik Anwendung in Fragen der Hybridisierung zwischen Arten und Unterarten, des Populationsverbundes, der Populationsdichte und -größe.

Die Wildtiergenetik ist an der FVA ein Querschnittsthema, das verschiedene Projekte und Wildtierarten verbindet (u.a. Wildkatze, Luchs, Wolf, Auerhuhn, Rothirsch). Je nach Fragestellung und Tierart kommen unterschiedliche genetische Methoden zum Einsatz (u.a. Sequenzierung, Mikrosatelliten), die im hauseigenen Genetiklabor oder in Zusammenarbeit mit externen Kooperationspartnern durchgeführt werden. Im Rahmen von Kooperationen im Bereich des Wildtiermonitorings bearbeiten wir auch externe Aufträge in unserem Labor, wie z.B. die genetische Bearbeitung von Lockstock-Haarfunden.

Genetische Diversität & Genfluss

Die Grundlage zur Bearbeitung von Fragestellungen in der Wildtiergenetik ist die unterschiedliche Ausprägung bestimmter DNA Abschnitte zwischen Individuen oder Arten. Basierend auf dieser Variation können Ähnlichkeiten oder Unterschiede zwischen Individuen, aber auch zwischen Populationen berechnet werden. Wichtige Maße dafür sind die genetische Diversität und der Genfluss.

Die genetische Diversität ist ein Maß für die erblich bedingten Unterschiede zwischen Individuen oder Populationen. Je höher die genetische Diversität innerhalb einer Population (zwischen Individuen) ist, desto größer ist ihre Anpassungsfähigkeit an veränderte Umweltbedingungen. Je größer die genetische Diversität zwischen Populationen ist, desto größer ist ihr Grad der Isolation. Bei großer genetischer Diversität findet kein oder nur wenig Austausch zwischen den Populationen statt.

Über den Genfluss wird der Austausch zwischen Populationen gemessen. Je mehr Austausch zu anderen Populationen existiert, desto größer wird die Diversität einer Population. Dem Genfluss entgegen wirkt die genetische Drift, das Verschwinden von genetischer Variation durch stochastische Prozesse. Über den Genfluss und das Verhältnis von Genfluss zu genetischer Drift wird die Dynamik zwischen Populationen berechnet und so Verbundachsen und Barrieren identifiziert.

Anwendungsbereiche

Angewandt wird die Wildtiergenetik an der FVA bereits in mehreren Bereichen der Wildtierforschung und des Wildtiermanagements. Insbesondere im Wildtiermonitoring ist die genetische Artbestimmung ein wichtiges Instrument. Fragen zum Populationsverbund einer Art werden über die genetische Variation (inner- und zwischenartliche) und deren Dynamik (Veränderung in Raum und Zeit) erforscht. So sind Aussagen z.B. zu Wanderungsbewegungen zwischen Populationen oder Gefährdungen durch Reduktion der Populationsgröße möglich.

Für Arten, die morphologisch nur schwer auseinander zu halten sind, wie beispielsweise Wildkatzen und getigerte Hauskatzen oder der Wolf und der Wolfshund, ist die genetische Artbestimmung teilweise die einzige eindeutige Bestimmungsmethode. Anwendung findet die Artbestimmung aber auch bei indirekten Nachweisen wie Haarfunden, Losungen oder Rissen, wenn der Verursacher bestimmt werden muss. Besonders relevant ist dies, wenn es um verursachte Schäden durch Wildtiere geht (z.B. Wolf, Luchs oder Verbiss).

Hybride lassen sich teilweise - je nach morphologischer Ausprägung  - nur genetisch eindeutig nachweisen. Anwendung findet der Nachweis von Hybriden in der Wildtiergenetik der FVA in erster Linie zwischen Wildkatzen und Hauskatzen. Auch von Interesse ist die Hybridisierung zwischen Rotwild und Sikawild im Schwarzwald. Die Identifizierung von Wolf-Hund-Hybriden spielt bisher in Baden-Württemberg noch keine Rolle.

Über genetische Analysen basierend auf der Häufigkeiten von Allelen (Genausprägungen) werden Populationen voneinander unterschieden. Sind die Unterschiede zwischen Populationen groß genug, ist es möglich Individuen ihrer Herkunftspopulation zuzuordnen. Stimmt die Herkunftspopulation nicht mit dem geographischen Fundort überein, handelt es sich um ein migriertes Individuum. So können Hinweise auf Wanderungen geliefert werden. Kreuzt sich das migrierte Individuum in die Zielpopulation ein, vermischen sich seine Allele mit denen der Zielpopulation und tragen so zur Diversität bei. Über diese Art des Genflusses kann der Austausch zwischen Populationen berechnet werden. Gleichzeitig geben die Analysen Hinweise auf Barrieren zwischen Populationen, durch die der Austausch verhindert oder reduziert wird. Angewandt wird die Berechnung des Genflusses an der FVA z.B. bei den Auerhuhnvorkommen im Schwarzwald oder der fragmentierten Verbreitung der Gams. In Zukunft wird die Berechnung des Genflusses auch bei einem grenzüberschreitenden Luchsvorkommen ein Thema sein.

Über die genetische Analyse von Artnachweisen aus Haaren, Federn oder Losungen lassen sich absolute Populationsdichten berechnen. Hierfür werden die Proben einzelnen Individuen zugeordnet. Über Fang-Wiederfangmodelle wird dann die absolute Populationsdichte berechnet. In den walddominierten Lebensräumen in Baden-Württemberg ist dies bisher die einzige Methode, die präzise Ergebnisse liefert. Relevant ist die Frage nach der Populationsdichte z. B. beim Rotwild im Nordschwarzwald im Rahmen der Erarbeitung der Konzeption, den verbliebenen Auerhuhnvorkommen und ihrer Zu- oder Abnahme oder dem geringen Kenntnisstand zur Verbreitung und Häufigkeit des Baummarders.

Inzucht tritt vor allem in kleinen, isolierten Populationen auf und hat eine verringerte genetische Diversität zur Folge, die wiederum zu einer reduzierten Vitalität der Population führen kann. Zudem wird die Anpassungsfähigkeit der Population an veränderte Umweltbedingungen stark reduziert. Berechnet wurden Inzuchteffekte in der Wildtiergenetik der FVA z.B. für das Rotwild in den Rotwildgebieten.

Probenmaterial

Um genetische Analysen durchführen zu können, muss zunächst einmal DNA aus Zellen extrahiert werden. DNA findet sich im Zellkern (Genom) oder in Zellorganellen wie den Mitochondrien (mtDNA). Um die Wildtiere möglichst wenig zu beeinträchtigen, aber trotzdem an DNA zu kommen, wird in der Wildtiergenetik häufig nicht-invasives Probenmaterial verwendet. Dabei handelt es sich um Zellmaterial, dass von den Wildtieren selbständig abgestoßen oder abgesetzt wird, wie z.B. Federn, Haare, Speichel oder Kot. Nur in seltensten Fällen, wenn es sich um Totfunde handelt oder die Tiere für andere Zwecke (z.B. Telemetrie) gefangen werden müssen, wird Gewebe oder Blut verwendet.

Die Extraktion der DNA aus nicht-invasiv gesammeltem Probenmaterial ist meistens aufwändiger, da in vielen dieser Materialien nur wenige Zellen vorhanden sind und diese eventuell bereits längere Zeit ungünstigen Bedingungen (Wärme, Kälte, Feuchtigkeit) ausgesetzt waren. So hat sich herausgestellt, dass z.B. die Sammlung von Kotproben im Winter bei Schneebedeckung am erfolgreichsten ist, da dann die Proben bei Temperaturen um die 0°C durchgehend gekühlt werden. Bei nicht-invasivem Probenmaterial muss berücksichtigt werden, dass nicht automatisch bekannt ist, zu welchem Individuum die Probe gehört. So wird zunächst genetisch das betreffende Individuum bestimmt.

Labormethoden

Ist die DNA aus den verschiedenen Materialien extrahiert, werden bestimmte Bereiche der DNA amplifiziert (vervielfältigt). Dies erfolgt mit Hilfe einer Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR). Je nach Ziel der Untersuchung können Abschnitte auf der mitochondrialen DNA (mtDNA) oder im Genom (Zellkern) verwendet werden. Die am häufigsten verwendeten Methoden im Bereich der Wildtiergenetik an der FVA sind Sequenzierungen und Mikrosatelliten.

Über die Sequenzierung wird die Nukleotid-Abfolge des untersuchten Abschnitts der DNA bestimmt. Einzelne Positionen in der Nukleotid-Abfolge können dabei variabel sein. Verschiedene Varianten desselben Abschnitts bilden die sogenannten Haplotypen. Manche Bereiche der DNA sind hochvariabel, so dass viele Haplotypen innerhalb einer Population auftreten. Mit diesen Bereichen können über die Häufigkeit der Haplotypen populationsgenetische Fragen bearbeitet werden, z.B. bei Fragen zum Populationsverbund der Gams. Andere Bereiche der DNA sind sehr konservativ und zeigen nur zwischen Arten Unterschiede. Diese Bereiche können für Artbestimmungen verwendet werden, um z.B. zu ermitteln welche Tierart an einem Riss gefressen hat. Ein weiteres Beispiel ist die Unterscheidung zwischen Wild- und Hauskatzen über die Haplotypen eines mtDNA Abschnittes. Da die mtDNA nur mütterlicherseits vererbt wird, können mit dieser Methode aber keine Aussagen über Hybridisierungen getroffen werden.

Mikrosatelliten sind kurze, repetitive Abschnitte der DNA. Ihr Aufbau ist sehr einfach und besteht aus 2-4 Nukleotiden, die vielfach wiederholt werden. Die Anzahl an Wiederholungen variiert dabei stark zwischen einzelnen Ausprägungen des Mikrosatelliten, den Allelen. Da in jeder Zelle zwei homologe Chromosomen vorliegen, erhält man für jedes Individuum pro Mikrosatelliten zwei Allele gleicher oder unterschiedlicher Länge. Durch Kombinationen mehrerer variabler Mikrosatelliten können Untersuchungen auf verschiedenen Verwandtschaftsebenen durchgeführt werden. Mit einer ausreichenden Anzahl variabler Mikrosatelliten können Individuen unterschieden werden. Mikrosatellitenanalysen werden angewandt in der Unterscheidung von Haus- und Wildkatzen, sowie für Untersuchungen zum Populationsverbund z.B. vom Auerhuhn im Schwarzwald.

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