Fokus Forschung: Vortrag zur 20. NWK: Herkunftsbestimmung von Pollen zur Analyse des Sammelverhaltens von Honigbienen und Hummeln

19.06.2019, 07:30

Lisa Prudnikow forscht zur DNA der Pollenkörner

Referentin zur 20. NWK: Lisa Prudnikow

Rund 70% der weltweit angebauten Nutz- und Kulturpflanzen profitieren von der Bestäubungsleistung von Bienen. Anfrage und Anbau bestäubungsabhängiger Nutzpflanzen nehmen zu, wobei der Bedarf die Anzahl der zur Verfügung stehenden Völker übersteigt. Zusätzlich sind Wildbienen und andere Bestäuber durch landwirtschaftliche Stressoren gefährdet. Ein detailliertes Verständnis über das Sammelverhalten der Tiere in verschiedenen Landschaftsszenarien ist demnach notwendig, um die Bestäubung von Kultur- und Nutzpflanzen auch zukünftig zu gewehrleisten. Die Zuordnung gesammelter Pollen zu Herkunftspflanzen erweitert solche Untersuchungen. Frühere Methoden umfassten die mikroskopische Pollenanalyse und -zuordnung, jedoch etablierte sich durch die technische Evolution der letzten Jahre die Untersuchung des Erbmaterials (DNA) der Pollenkörner[1].

In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Funktionelle Agrobiodiversität der Georg-August Universität Göttingen untersuchen wir das Sammelverhalten von Honigbienen und Hummeln.  Neben der Observierung der Bienen im Feld und der mikroskopischen Untersuchung von Pollenkörnern wurde zunächst eine Polymerase-basierte Sequenzierungsmethode verwendet. Im Rahmen ihrer Bachelorarbeit beschäftigt sich Lisa Prudnikow gemeinsam mit Robert Leidenfrost und Prof. Dr. Röbbe Wünschiers von der Hochschule Mittweida mit der Nanoporensequenzierung der Pollen-DNA und der anschließenden bioinformatischen Datenanalyse.

Diese Sequenzierungsmethode basiert auf dem Membranpotential. Wird eine Elektrolytlösung mit einer Membran separiert, in der Nanoporen (Transmembranproteine) eingebettet sind, entsteht ein Ionenstrom. Dieser wird charakteristisch gestört, wenn Moleküle, wie zum Beispiel DNA, die Poren durchqueren. So entsteht ein Signal, das von einem Computer ausgewertet werden und in Sequenzinformation umgewandelt werden kann[2]. Dafür wurde der Oxford Nanopore Technologies MinION benutzt. Das ist ein DNA-Sequenziergerät von handlicher Größe (10 cm × 3 cm × 2 cm), das mittels USB3 mit einem Computer verbunden werden kann.

Anhand eines speziellen Abschnittes im Pollen-Erbgut, der sogenannten ITS2-Region, werden die aufgesuchten Pflanzen identifiziert und die Pollenanteile quantifiziert. Dies wird mit einem Sequenzvergleich (BLASTn) gegen eine globale, von der Universität Würzburg[3] bereitgestellte ITS2-Datenbank (spezifiziert auf Niedersachsen durch Prof. Röbbe Wünschiers), durchgeführt. Vorher wurden die Sequenzdaten, die mittels Nanoporensequenzierung entstanden sind, auf unterschiedliche Weise bioinformatisch prozessiert und gegenübergestellt. Auf diese Weise können die beiden eingesetzten Sequenzierungsmethoden miteinander verglichen werden.

Erste Ergebnisse der Hummeldaten zeigen, dass die Gattung Brassica bei beiden Sequenzierungsmethoden die meisten Treffer (ca. 19-20%) erzielte. Dies ist auch ein plausibles Ergebnis, da die Hummelkolonien in der Nähe von Rapsfeldern (Brassica napus) platziert wurden. Des Weiteren zeigte sich, dass acht der zehn am meisten vorhandenen Pflanzengattungen übereinstimmen, allerdings in teilweise unterschiedlichen Häufigkeiten. Ein Großteil der Treffer sind Lippenblütengewächse mit violetten oder pinken Blüten. Theoretisch können Hummeln von diesen Pflanzen auf Grund ihrer Größe und ihrem viel zu kleinen Rüssel keinen Nektar sammeln. Jedoch lässt sich mehr und mehr beobachten, wie Hummeln die Blüten an der Seite aufbeißen, um an den Nektar zu gelangen[4]. So ist dieses Verhalten auch in den bisherigen Sequenzierungsergebnissen zu erkennen.

Durch die bioinformatische Prozessierung der Sequenzdaten wurde bereits erkannt, dass die Polymerase-basierte Sequenzierung qualitativ hochwertigerer Ergebnisse erzielt. Jedoch können durch die Nanoporensequenzierung längere Fragmente, auch Reads genannt, sequenziert werden. Zusätzlich ist die Portabilität sowie der Zeit- und Kostenaufwand bei der Nanoporensequenzierung vorteilhafter.

Weiterhin soll ein Sequenzvergleich mit den Daten der Honigbienen erfolgen. Außerdem besteht der Bedarf, die beiden Sequenzierungsmethoden intensiver qualitativ zu vergleichen. Ausgehend von diesen Ergebnissen ist dann eine detaillierte ökologische Schlussfolgerung möglich.

   

Quellenverzeichnis:
[1] Bänsch, S. (2019): Managing strawberry pollination with wild bees and honey bees: Facilitation or competition by mass-flowering resources? 136 pages. Göttingen, Georg-August-Universität Göttingen, department of agroecology, Dissertation, pp. 50-86
[2] van Dijk, E. L.; Jaszyszyn, Yan; Naquin, Delphine et al. (2018): The third Revolution in Sequencing Technology. Trends in Genetics. 34(9):666-681
[3] Förster, F. (2015). Eukaryota.all.fasta.bz2. URL: github.com/BioInf- Wuerzburg/ITS2database_update_2015/blob/master/data/2015/eukaryota.all.fasta.bz2.
[4] Marzinzig, B., Brünjes, L., Biagioni, S. (2018) Bee pollinators off aba bean (Vicia faba L.) differ in their foraging behaviour and pollination efficiency. Agriculture, Ecosystems and Environment. 264 (2018) 24–33

 

Text: Lisa Prudnikow
Fotos: (1) Helmut Hammer, alle weiteren: Lisa Prudnikow