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Molekularbiologische Bestimmung mittels "Genetischem Fingerabdruck"

In den letzten Jahren sind in vielen Bereichen molekularbiologische Methoden entwickelt worden, um anhand der Informationen in der DNA eines Organismus eine eindeutige Bestimmung auf Ebene der Gattung und Art vorzunehmen, wobei spezifische Techniken darüber hinaus auch eine Bestimmung auf der Ebene der Varietät / Herkunft bis hin zur Ebene des Individuums ermöglichen (so wie letztere Ansätze ja auch im Humanbereich etwa für Vaterschaftstests oder zur Identifizierung von Straftätern herangezogen werden). Diese Techniken der „genetischen Fingerabdrücke“ sind in den letzten Jahren deutlich vereinfacht worden, auch wenn sie immer noch einen nicht unerheblichen apparativen Aufwand erfordern und insbesondere sehr spezifische Kenntnisse über die Genetik der zu untersuchenden Organismen voraussetzen.

Bäume haben Genomgrößen, welche zwischen 0,5 (Pappeln) und 60 Milliarden (Kiefern)Basenpaaren ("Buchstaben") liegen (zum Vergleich: Das menschliche Genom umfasst ca. 3 Milliarden Basenpaare). Für die hier interessierende genetische Analyse beschränkt man sich auf spezifische DNA-Fragmente, welche allgemein eine Länge zwischen ca. 100 und 10.000 Basenpaaren haben. Diese werden zunächst auf beiden Seiten durch zwei spezifische Primer  begrenzt und das so markierte DNA-Stück wird sodann mittels PCR (Polymerase-Kettenreaktion) in einem Thermocycler vervielfältigt (amplifiziert). Dadurch kann ein einzelnes DNA-Fragment innerhalb einer Stunde 2-3 h millionenfach vermehrt werden.

Dazu werden die Proben zunächst gefriergetrocknet, dann in einem Kugelschlagwerk sehr fein pulverisiert, die DNA wird anschließend extrahiert und, mit den entsprechenden Primern versehen, in einem Thermocycler vervielfältigt. Sodann erfolgt eine Trennung der DNA-Fragmente unterschiedlicher Größe auf einem Gel im elektrischen Feld (Elektrophorese). Schließlich können die so entstandenen Muster unter UV-Licht sichtbar gemacht werden.


Gefriertrocknung der Wurzelproben

 PCR in einem Thermocycler

 Elektrophorese der DNA-Fragmente

Hier  sind die eigene Ergebnisse einer solchen molekulargenetischen Identifizierung verschiedener Baumarten in einem Fall einer Rohrverstopfung anhand von Wurzelproben mit der RFLP-Technik unter UV-Licht dargestellt. Neben einer DNA-Leiter als Standard (1)sind DNA-Proben der sechs Baumarten aufgetragen , die in diesem Fall in Frage kamen (2 = Trauben-kirsche, 3 =  Pappel, 4 = Bergahorn, 5 = Trauerweide, 6 = Rosskastanie, 7 = Sommerlinde). Durch Vergleich der spezifischen Bande kann nun unschwer nachvollzogen werden, dass es sich bei der Wurzel aus der Abwasserleitung (?) eindeutig um eine Pappel handelte.

Andere Techniken (z.B. unter Verwendung so. Mikrosatelliten) müssen angewandt werden, wenn es um die Unterscheidung einzelner Arten einer Gattung oder gar einzelner Individuen ein- und derselben Art geht. Mikrosatelliten sind Einheiten von kleineren Basensequenzen in der DNA (1-6 Basenpaare), die sich häufig wiederholen. Offensichtlich haben diese Sequenzen keine spezifischen regulatorischen Eigenschaften, so dass sie eine hohe Mutationsrate haben und zwischen einzelnen Individuen und Arten sehr unterschiedlich ausgeprägt sein können, ohne dass sich dies in der Entwicklung oder physiologischen Steuerung niederschlagen würde. 

Unterscheidung einzelner Ahorn-Arten unter Verwendung von Mikrosatelliten. 1 = Bergahorn, 2 = Spitzahorn, 3 = Feldahorn, 4 =Fächerahorn, 5 = Silberahorn, 6 = Zuckerahorn.

Eine solche Bestimmung auf Art- bzw. Individuen-Ebene ist natürlich immer dann besonders wichtig, wenn z.B. die Streitfrage entsteht, ob ein Wurzeleinwuchs durch die Pappel entlang der öffentlichen Straße oder durch die Pappel im eigenen Garten verursacht wurde. In diesen Fällen sind solche genetischen Fingerabdrücke die einzige Möglichkeit, um hier eine eindeutige Entscheidung zu treffen. 

Eine weitere, neuere molekulargenetische Methode beruht auf einer direkten Sequenzierung ausgewählter Stellen des Genoms, so dass die "Buchstaben" der DNA auf eine Länge von ca. 400-800 Basenpaaren komplett "gelesen" werden:


Mit Hilfe der internationalen Gen-Datenbank kann dann auf dieser Basis die am besten passende Übereinstimmung mit einer bereits vorhandenen Gensequenz gefunden und damit die Art bestimmt werden (in diesem Fall Salix matsudana = Korkenzieherweide):