Vortrag: PD Dr. B. Kunze (11.05.2012) 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.

Schilf (Phragmites australis) Wikimedia: Kenraiz Wikimedia Wikimedia: Darkone

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.

Warum ist das von Interesse ? 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:

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! Quelle: plant-wissen.de Quelle: clipartlogo.com Pflanzliche Zellwände können extrem stabil sein – die DNA ist es leider nicht!

Für die DNA-Isolation kann man fertige Kits kaufen: 8 1, 2, 3 9 10 4 11 5 12 !! 6, 7 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 d.h. 3,2 Mrd. bp 38 % 1,5 % 2,8 % Aus: T.A. Brown, Genomes 2, BIOS Scientific Publishers

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)

..... und viele andere Kombinationen Zwischen den Individuen einer Population sind die jeweiligen Clustergrößen variabel (durch unterschiedliche Repeat-Anzahlen); man spricht von einem Polymorphismus. GEN 1 GEN 2 5 / 3 GEN 1 GEN 2 3 / 4 GEN 1 GEN 2 2 / 6 ..... und viele andere Kombinationen

Mikrosatelliten-Analysen für botanische Fragestellungen Ausbreitung des Feinwurzelsystems (Brunner u. Sperisen, 2005)

Ausbreitung des Feinwurzelsystems Quelle: Brunner u. Sperisen, 2005

Klonales Wachstum in Seegraswiesen Quelle: (Th. Reusch, Forschungsbericht 2005, MPI für Evolutionsbiologie)

Pflanzenzelle Zellkern Chloroplasten 2. Mitochondrien 1. DNA – haltige Zellorganellen Zellkern Chloroplasten Mitochondrien Pflanzenzelle 2. 1. Quelle: Informationsdienst Wissenschaft

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) 1/11 Absalonshorst 2/11 Absalonshorst 12/12 Eichholz 9/9 Kleiner See 8/11 Absalonshorst 9/9 Groß Sarau Kernmarker: A1, A2, B1, C1, C2, C5 Chloroplastenmarker: CpI, CpII

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