Die zufällige DNA-Sammlung durch Luftsensoren könnte die Wildtierverfolgung revolutionieren

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Eine Luftqualitätsüberwachungsstation in Lodon befindet sich in der Nähe eines Wildparks und nimmt in ihren Filtern DNA von Arten wie dem Damhirsch (Dama dama) auf.Quelle: Robert Knell

Wissenschaftler könnten möglicherweise in der Lage sein, die Flora und Fauna der Welt im Auge zu behalten, indem sie die in der Luft schwebende DNA analysieren. Zu diesem Schluss kommt eine am 5. Juni in Current Biology1 veröffentlichte Studie, in der ein Team mehr als 180 Arten von Organismen, darunter Pflanzen, Pilze, Insekten und Tiere, mithilfe von DNA identifizierte, die von Filtern von Luftverschmutzungsüberwachungsstationen erfasst wurde. Die Forscher sagen, dass die Methode aufgrund der Allgegenwärtigkeit solcher Stationen die Überwachung der Artenvielfalt auf der Erde verändern und möglicherweise sogar seltene Arten erkennen könnte.

Die weltweite Artenvielfalt nimmt ab – einige Schätzungen gehen von einem Rückgang der Wildtierpopulationen um 69 % seit 1970 aus. Wissenschaftler haben Schwierigkeiten, Veränderungen in Ökosystemen und Artenrückgangsraten im Auge zu behalten, weil ihnen die Infrastruktur fehlt, um die Artenvielfalt in großem Maßstab zu messen. Typischerweise überwachen Forscher oder Naturschützer einige Landarten in kleinen Regionen mithilfe arbeitsintensiver Methoden wie Kameraüberwachung, Beobachtungen vor Ort und der Untersuchung von Spuren, einschließlich Fußabdrücken und Fäkalien. Auf großen Skalen sind nur sehr allgemeine Messungen möglich, beispielsweise Bewertungen der Waldbedeckung.

Quelle: Ref. 1

Aber Umwelt-DNA (eDNA) – kleine Mengen genetischen Materials, das von Lebewesen abgegeben wird – die mithilfe von Luftverschmutzungs-Tracking-Netzwerken automatisch gesammelt werden, könnte zur Lösung dieses Problems beitragen, sagt Elizabeth Clare, Molekularökologin an der York University in Toronto, Kanada, und Leiterin Autor der Studie.

Wissenschaftler sammeln und sequenzieren seit etwa 20 Jahren eDNA aus Boden- und Wasserproben, um seltene oder gefährdete Arten aufzuspüren, wie den Kammmolch (Triturus cristatus) im Vereinigten Königreich und den Goldfinken (Erythrura gouldiae) in Australien. Aufsichtsbehörden haben eDNA zur Erkennung invasiver Arten eingesetzt; Beispielsweise verwendet der US Fish and Wildlife Service es zur Überwachung von Silberkarpfen (Hypophthalmichthys molitrix) im System der Großen Seen. Aber erst letztes Jahr berichteten Wissenschaftler, darunter Clare, dass eDNA aus Luftproben gewonnen und zur Erforschung der terrestrischen Artenvielfalt verwendet werden kann2. Die DNA stamme wahrscheinlich aus Zellen, die von Organismen abgestoßen wurden, sagen Forscher.

In der neuesten Forschung führten Clare und ihre Kollegen eine Pilotstudie durch, in der sie Zugang zu bestehenden britischen Luftqualitätsüberwachungsstationen in London und in der Nähe von Edinburgh erhielten, um zu sehen, ob sie in der Luft befindliche eDNA aus der lokalen Flora und Fauna einfangen könnten. Beide dienen der Überwachung von Luftschadstoffen wie Blei in Partikeln, die in den Filtern der Geräte eingeschlossen werden. Die Station Edinburgh ist Teil eines landesweiten Netzwerks, das teilweise vom National Physical Laboratory (NPL) in Teddington betrieben wird.

Der US Fish and Wildlife Service nutzt eDNA zur Überwachung von Silberkarpfen (Hypophthalmichthys molitrix), einer invasiven Art.Quelle: Jason Lindsey/Alamy

Die Forscher richteten die Londoner Station neben einem Wildpark ein, um in verschiedenen Zeitintervallen, von einer Stunde bis zu einer Woche, Proben zu entnehmen und so zu testen, ob die Probenahmezeit wichtig ist. Sie untersuchten auch, wie lange Proben konserviert werden könnten, indem sie die Filter der Station in Edinburgh analysierten, die eine Woche lang DNA gesammelt hatten, bevor sie acht Monate lang gelagert wurden.

Das Forschungsteam, zu dem auch Wissenschaftler des NPL gehörten, extrahierte und sequenzierte eDNA aus einem Viertel jedes Filters. Anschließend verglichen die Wissenschaftler die Sequenzen mit denen, die in DNA-Datenbanken wie GenBank der US-amerikanischen National Institutes of Health verfügbar waren.

Die Forscher waren überrascht, auf den Filtern DNA von so vielen Organismengruppen zu finden. Darunter befanden sich 34 Vogelarten wie Zaunkönige (Troglodytes troglodytes) und Kohlmeisen (Parus major) sowie Eschen (der Gattung Fraximus), Brennnesseln (der Gattung Soleirolia) und pathogene Septoriella-Pilze (siehe „Register führen“) über Taxa‘).

Der Vorteil der Nutzung vorhandener Luftüberwachungsstationen besteht darin, dass diese Infrastruktur bereits in vielen Ländern der Welt eingerichtet ist, darunter in Nord- und Mittelamerika, Europa, Asien und der südlichen Hemisphäre, sagen die Forscher. Sie fordern die Betreiber von Überwachungsstationen auf, die Filter nach der Luftqualitätsanalyse aufzubewahren, damit Ökologen sie nutzen können.

„Solange wir ihren ökologischen Wert nicht wirklich verstehen, müssen wir aufhören, sie wegzuwerfen“, sagt Clare.

Forscher holten Wildtier-DNA aus der Luftqualitätsüberwachungsstation Auchencorth Moss in der Nähe von Edinburgh.Quelle: National Physical Laboratory/Local Site Operator

Eily Allan, Molekularbiologin und leitende Wissenschaftlerin der eDNA Collaborative, einem Forschungsprogramm an der University of Washington in Seattle, sagt, dass die automatisierte Sammlung von eDNA aus der Luft mithilfe vorhandener Netzwerke von Luftüberwachungsstationen „die Umweltüberwachung ins 21. Jahrhundert katapultieren könnte“. Jahrhundert". Es verlagere die Forschungsgemeinschaft von unzusammenhängenden Stichproben hin zu einer regelmäßigen, wiederholten, langfristigen Datenerfassung, fügt sie hinzu.

Doch bevor die Überwachungsmethode flächendeckend eingeführt werden kann, müssen die Forscher einige Details ausarbeiten, einschließlich des optimalen Probenahmezeitpunkts, um eine breite eDNA-Sammlung sicherzustellen. Das Team sagt, seine Daten deuten darauf hin, dass ein Tag für die Probenahme zu kurz, eine Woche jedoch zu lang sei – es gibt einen Kompromiss zwischen der Sammlung ausreichender DNA und der Aufbewahrung so lange, dass sich das Material zersetzt.

Zu den weiteren Unbekannten gehört, wie weit sich eDNA in der Luft ausbreitet, was bestimmt, wie groß der Bereich ist, den diese Methode überwachen kann. Die Co-Autorin der Studie, Joanne Littlefair, Molekularökologin an der Queen Mary University of London, sagt, dass das Team auch noch daran arbeitet, herauszufinden, welche ökologischen Informationen eDNA über die Identifizierung von Arten hinaus liefern kann. Beispielsweise hält sie es für unwahrscheinlich, dass die Methode in der Lage sein wird, die Artenhäufigkeit zu messen. Aber es könnte Vogelzüge und ihre Veränderungen als Reaktion auf den Klimawandel überwachen.

„Wir wissen noch nicht wirklich, was man zuverlässig betrachten kann“, sagt sie.

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01850-z

Littlefair, JE et al. Curr. Biol. https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.04.036 (2023).

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Clare, EL et al. akt. Biol. 32, 693–700 (2022).

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