Bekämpfung des Verlusts der biologischen Vielfalt durch Genomsequenzierung

Neil Ward, Vizepräsident PacBio EMEA

Der Verlust der biologischen Vielfalt im Vereinigten Königreich übersteigt derzeit die Naturschutzbemühungen, ihn zu bekämpfen. Fast jede sechste Art ist derzeit vom Aussterben bedroht. Tatsächlich ist der Bestand an prioritären Arten im Vereinigten Königreich seit 1970 um 60 % zurückgegangen, was es zum schlimmsten aller G7-Länder macht.

Der Schutz der britischen Biodiversität ist ein zentraler Bestandteil der vom Ministerium für Umwelt, Ernährung und ländliche Angelegenheiten kürzlich bekannt gegebenen umweltpolitischen Prioritäten der neuen britischen Regierung. Die fünf Prioritäten reichen von der Reinigung von Wasserstraßen bis zur Verbesserung der Ernährungssicherheit, aber das vielleicht ehrgeizigste Ziel ist „die Wiederherstellung der Natur sicherzustellen“. Um dieses Ziel zu erreichen, sind Einblicke auf molekularer Ebene in die Biologie von Organismen – sowohl Pflanzen als auch Tieren – erforderlich. Um diese Sichtweise zu erreichen, muss die Genomsequenzierung in der Biodiversitätsforschung angewendet werden. Eine umfassende und genaue Genomsequenzierung ermöglicht es Wissenschaftlern, tiefer in die Gesundheit und Populationsdynamik von Arten einzutauchen und so Erhaltungsstrategien zu entwickeln.

Genomsequenzierung zur Aufdeckung von Bedrohungen für Wildtiere

Um ein möglichst genaues und vollständiges Bild der zugrunde liegenden Biologie eines Organismus zu erhalten, ist eine Methode namens Whole Genome Sequencing (WGS) erforderlich. Traditionelle WGS-Ansätze, sogenannte Short-Reads, zerlegen das Genom eines Organismus in kleine Fragmente, die sequenziert werden sollen, und fügen sie dann wieder zusammen, um ein ganzheitliches Bild seiner DNA zu erstellen. Diese Short-Read-Methode hat jedoch Schwierigkeiten, längere und komplexere Teile des Genoms zu erfassen, die in der Pflanzen- und Tierforschung besonders wichtig sind. Beispielsweise ist das Weizengenom fünfmal länger als das menschliche Genom – das bedeutet, dass eine Menge genomischer Code ohne Fehler oder Lücken wieder zusammengesetzt werden muss.

Im Gegensatz dazu kann eine fortgeschrittenere Form der Sequenzierung des gesamten Genoms, die sogenannte Long-Read-Sequenzierung, viel größere DNA-Segmente verarbeiten. Dies ermöglicht es Forschern, das Genom eines Organismus genau und vollständig zu erfassen. Sobald die DNA eines Organismus vollständig entschlüsselt ist, gibt es mehrere Möglichkeiten, die Genomdaten für die Konservierung zu nutzen:

1. Erfassen und katalogisieren – Der erste Schritt in vielen auf Genomik basierenden Biodiversitätsforschungsprojekten ist der Aufbau von Referenzgenomen. Referenzgenome sind DNA-Sequenzen, die als repräsentative Beispiele für die genetische Ausstattung einer Art dienen sollen. Sie bieten einen Standard für den Vergleich mit einzelnen DNA-Proben, die während der Forschung einer bestimmten lokalen Bevölkerung gesammelt wurden. Durch die Katalogisierung von Arten mithilfe von Referenzgenomen können Forscher verstehen, wie Ökosysteme funktionieren, und etwaige Abhängigkeiten lokalisieren.
2. Identifizieren Sie Merkmale zur Anpassung – Referenzgenome helfen bei der Beantwortung entscheidender Fragen zur Entwicklung von Arten und zeigen, welche Gene am wahrscheinlichsten physische Veränderungen verursachen und welche genetischen Variationen am dominantesten sind. Warum sind beispielsweise Große Pandas anfälliger für eine geringe Fruchtbarkeit und warum sind Löwen anfälliger für FIV? Solche Erkenntnisse können als Grundlage für Zuchtprogramme dienen, indem Pflanzen und Tiere mit günstigeren Anpassungen ermittelt werden.
3. Bevölkerungsvielfalt – Populationen mit hoher genetischer Vielfalt überleben neue Umweltbedingungen mit größerer Wahrscheinlichkeit, wohingegen Arten mit geringer genetischer Vielfalt weniger wahrscheinlich sind, sich anzupassen, was das Risiko des Aussterbens erhöht. Die Analyse der genetischen Variation im Laufe der Zeit kann Aufschluss darüber geben, wann eine Art an einem bestimmten Standort vom Aussterben bedroht ist, was Wissenschaftlern die Möglichkeit gibt, einzugreifen und das Aussterben zu verhindern.

Sequenzierung der Tierwelt Großbritanniens mit dem Darwin Tree of Life

Das Darwin Tree of Life (DToL)-Projekt ist ein Beispiel dafür, wie das Vereinigte Königreich daran arbeitet, den Verlust der biologischen Vielfalt zu bekämpfen, die britische Natur wiederherzustellen und Naturschutzprogramme zu unterstützen. Das DToL-Projekt zielt darauf ab, alle 70.000 Arten auf den Britischen Inseln genetisch zu sequenzieren und so einen Beitrag zum Earth BioGenome Project zu leisten. Seit November 2023 hat das DToL über 1.000 Genomassemblierungen in Referenzqualität in öffentlichen Datenbanken veröffentlicht, die von Forschern auf der ganzen Welt verwendet werden können. Wie zum Beispiel:

• Hummel – 85–95 % der von Insekten bestäubten Pflanzen im Vereinigten Königreich sind auf wilde Bestäuber angewiesen, dennoch sind Hummelpopulationen weltweit bedroht. Mit hochwertigen Hummelgenomen können Forscher Teile des Genoms identifizieren, die für die Gesundheit heutiger Populationen wichtig sind, was zu Erhaltungsbemühungen beitragen kann.
• Kröte – Die britischen Populationen der Erdkröte sind drastisch zurückgegangen, wobei bestimmte Krankheiten ganze lokale Brutpopulationen ausgelöscht haben. Mithilfe der Genomik können Forscher spezifische Gene für die Resistenz gegen Krankheiten identifizieren, die Zuchtprogramme steuern und das Risiko des Aussterbens minimieren können.
• Apfelbaum – In Großbritannien und Irland gibt es schätzungsweise 2.500 einheimische essbare Apfelsorten, ein Drittel der etwa 7.500 weltweit vorkommenden. Mit Sequenzen für über 40 Apfelbäume können Forscher genetische Merkmale identifizieren, die mit größerer Wahrscheinlichkeit neue Umweltbedingungen wie steigende Temperaturen und Dürren überstehen und die höchsten Erträge erzielen.

Das Versprechen der Biodiversitätsgenomik verwirklichen

Das Darwin Tree of Life-Projekt ist eine von vielen Kooperationspartnerschaften, die die Art und Weise verändern, wie Großbritannien Biodiversitätsforschung und -schutz betreibt – aber die Arbeit ist noch nicht abgeschlossen. Nur 900 der geschätzten 450.000 Pflanzenarten auf der Erde wurden sequenziert, mittlerweile sind es 0,2 % der Tierarten eine öffentlich zugängliche Genomsequenz haben. Es müssen weltweit größere Investitionen in Biodiversitäts-Genomikprojekte wie das DToL und in die neueste Sequenzierungstechnologie getätigt werden, um Fortschritte in der Naturschutzpolitik voranzutreiben und das Ökosystem der Erde zu schützen.