Beurteilung des Einflusses von Agrarumweltmaßnahmen auf Honigbienen basierend auf genetischer Pollenanalyse mit Nanoporensequenzierung

Birgit Pannicke nimmt Honigbienen-Pollenhöschen unter die Lupe

Die Honigbiene ist aufgrund ihrer Bestäubungsleistung eines der wichtigsten Nutztiere, nicht nur in Deutschland, sondern weltweit[1]. Doch Bestäuberinsekten sind aufgrund von intensiver Landnutzung verschiedensten Stressfaktoren ausgesetzt, die schwerwiegende Folgen haben können. Einer dieser Faktoren ist der Rückgang des Blütenreichtums, was Nährstoffmangel und damit eine Schwächung des Immunsystems der Bienen zur Folge haben kann[2]. Ökologische Landwirtschaft verspricht, sich dieser Problematik anzunehmen, dennoch ist die Formulierung konkreter Maßnahmen unerlässlich, um tatsächlich zum Erhalt von Bestäubern und ihren Netzwerken beitragen zu können[3].

Diese Studie ist Teil des ComBee-Projektes, einer Kollaboration unter der Leitung der Forschungsgruppe für funktionelle Agrobiodiversität der Universität Göttingen. Das Projekt dient der Untersuchung, wie unterschiedliche Agrarumweltmaßnahmen auf Bestäuberinsekten einwirken[4]. Im Zuge dessen befasst sich diese Arbeit mit der genetischen Analyse von Honigbienen-Pollenhöschen (siehe Abb. 1). Die Proben stammen dabei von landwirtschaftlich unterschiedlich intensiv genutzten Standorten rund um Göttingen, die verschiedene Anteile an ökologischer Landwirtschaft und semi-naturalen Gebieten aufwiesen. Ziel ist die Bestimmung der in den Proben enthaltenen Pflanzenarten, deren Diversität Aussagen über das Sammelverhalten der Bienen liefert.

Abbildung 2: Der MinION Mk1c von Oxford Nanopore Technologies.

Um an die Information über die Pflanzenarten zu gelangen, wurde zunächst die DNA aus den Proben extrahiert und aufgereinigt. Der Erfolg der DNA-Extraktion kann sehr unterschiedlich ausfallen, abhängig von Form, Größe und Zusammensetzung der Pollenzellwand[5]. Aus diesem Grund, wurden zunächst unterschiedliche DNA-Extraktionskits getestet, um bestmögliche Mengen und Reinheitsgrade an DNA für den weiteren Prozess zu erhalten. Der nächste Schritt diente der PCR-Amplifikation bestimmter DNA-Abschnitte, die eine genaue Identifikation der Pflanzenart ermöglichen und aus diesem Grund auch als DNA-Barcodes bezeichnet werden[6]. Insbesondere im Hinblick auf die long-read Nanoporensequenzierung fiel die Wahl zum einen auf das Chloroplastengen für die RuBisCO large subunit (rbcL) mit ca. 1400 bp und zum anderen auf den im Zellkern lokalisierten Internal transcribed spacer (ITS) mit ca. 700 bp Länge[7]. Zusätzlich wurde für die Amplifikation des rbcL-Barcodes ein neuer reverse Primer konzipiert, welcher im Vergleich zu vorangegangenen Studien[8-9] nicht nur einen Teil, sondern die vollständige Amplifikation dieses Genabschnitts ermöglichen soll.

Um dessen universale Anwendbarkeit zu gewährleisten, wurde ein Clustal-Omega-Alignment mit DNA-Sequenzen von verschiedenen Pflanzenfamilien durchgeführt, um konservierte Bereiche auszumachen, die sich als Primerbindestelle eignen. Den nächsten Schritt stellt die Sequenzierung der Proben mit dem MinION Mk1c von Oxford Nanopore Technologies dar (siehe Abb. 2), sowie der Abgleich der generierten DNA-Reads mit einer entsprechenden Datenbank, welche die Zuordnung zur jeweiligen Pflanzenspezies ermöglicht. Die Erkenntnis darüber, aus welchen Arten die einzelnen Proben zusammengesetzt sind, soll am Ende in den Kontext des Landschaftsmanagements gesetzt werden. Ziel ist es, dadurch Aussagen über den Einfluss dieser unterschiedlich genutzten Landschaften auf das Sammelverhalten von Honigbienen treffen zu können und herauszufinden, welche ökologischen Maßnahmen zu einer vielfältigeren und nähstoffreichen Bienenernährung führen können.

Birgit Pannicke bei der Forschungsarbeit

Birgit Pannicke begann ihre wissenschaftliche Laufbahn in Leipzig, wo sie 2020 den Bachelor of Science in Biologie absolvierte. Ihr weiterer Werdegang führte sie daraufhin nach Mittweida, wo sie sich im Master Genomische Biotechnologie spezialisierte. In ihrer Masterarbeit beschäftigt sie sich zusammen mit Professor Röbbe Wünschiers aus dem Co-Creation Lab Landwirtschaft und Biodiversität und Lisa Prudnikow mit der genetischen Entschlüsselung von Bienenpollen.

Text: Birgit PannickeFotos: Birgit Pannicke (1) und (2), Lisa Prudnikow (3)

[1] Abrol, D. P. (2012): Pollination Biology. Biodiversity Conservation and Agricultural Production. Springer: 185-191.

[2] Di Pasquale, G. et al. (2013): Influence of pollen nutrition on honey bee health: Do pollen quality and diversity matter? PloS one, 8(8): 1-13.

[3] Haaland, C.; Naisbit, R. E. and Bersier, L.-F. (2011): Sown wildflower strips for insect conservation: A review. Insect Conservation and Diversity, 4: 60–80.

[4] Westphal, C.; Hass, A. and Paxton, R. (2021): ComBee: Kombinierte Agrarumweltmaßnahmen, Bienendiversität und Gesundheitszustand von Wild- und Honigbienen. www.uni goettingen.de/de/646422.html [05.05.2022].

[5] Hawkins, J. et al. (2015): Using DNA metabarcoding to identify the floral composition of honey: A new tool for investigating honey bee foraging preferences. PloS one, 10(8): 1–20.

[6] Hebert, P. D. N. et al. (2003): Biological identifications through DNA barcodes. Proc. R. Soc. Lond. B, 270: 313–321.

[7] Bell, K. L. et al. (2016): Pollen DNA barcoding: Current applications and future prospects. Genome, 59(9): 629–640.

[8] Bell, K. L. et al. (2017): Applying pollen DNA metabarcoding to the study of plant-pollinator interactions. Applications in plant sciences, 5(6): 1–10.

[9] Richardson, R. T. et al. (2021): Application of plant metabarcoding to identify diverse honeybee pollen forage along an urban-agricultural gradient. Molecular ecology, 30: 310–323.

Der Beitrag erschien zuerst auf der Webseite der Hochschule Mittweida unter Fokus Forschung.