Umwelt-DNA verrät heimliche Riffbewohner

fTeilen

Ein internationales Forschungsteam weist anhand von Meerwasserproben nach,
wo welche tropischen Riff-Fische vorkommen. Um Arten und Familien zu
identifizieren, nutzten sie im Wasser vorhandene DNA-Spuren der Tiere.
Doch nicht alle Fische lassen sich auf diese Weise aufspüren.

Tropische Korallenriffe sind bunt, schön – und artenreich. Besonders gross
ist die Fischvielfalt. Forschende schätzen, dass weltweit bis zu 8000
Fischarten in Korallenriffen vorkommen.

Doch weltweit verschwinden Korallenriffe aufgrund der Klimaerwärmung und
menschlicher Eingriffe in horrendem Tempo, und nach wie vor ist unklar, wo
welche Rifffische vorkommen. Wie viele Arten es insgesamt gibt, ist
ebenfalls nicht genau bekannt.
Das hat unter anderem damit zu tun, dass viele Fischarten ein sehr
heimliches Leben führen, sich stark ähneln oder teilweise im offenen Meer
leben. Solche Arten sind daher nur schwer nachweisbar. Um Fische in einem
Gebiet nachzuweisen, war die Biodiversitätsforschung meist auf
Sichtbeobachtungen von Taucher:innen oder auf Fangfisch angewiesen.

Nun hält in der Ökologie eine neue Methode Einzug, die solche
Schwierigkeiten umgeht: Umwelt-DNA (environmental DNA, eDNA). Die Idee
dieses neuen Ansatzes ist, dass Lebewesen ihr Erbgut oder Teile davon in
der Umwelt hinterlassen.
Die Forschenden müssen dann an einem Ort nur Wasserproben nehmen, die
darin enthaltenen DNA-Fragmente isolieren und diese sequenzieren, also die
Abfolge der DNA-Bausteine bestimmen. Schliesslich können sie die
ermittelten Sequenzen mit Referenzsequenzen vergleichen, die von sicher
bestimmten Belegexemplaren stammen – und schon wissen die
Biodiversitätsforschenden, ob eine Art am fraglichen Ort vorkommt.
Genau dieses Verfahren hat ein internationales Forschungsteam unter der
Federführung von Forschenden der Universität Montpellier (F) und der ETH
Zürich nun genutzt, um das Vorkommen von Rifffischen zu untersuchen.
Die Forschenden sammelten in den Jahren 2017 und 2019 an 26 Standorten in
fünf tropischen Meeresregionen 226 Wasserproben und analysierten die
daraus isolierte DNA, die sie dann den bekannten Arten oder Familien
zuordneten.

Vielfältiger als vermutet

Auf diese Weise fanden die Forschenden eine um 16 Prozent höhere Vielfalt
an Rifffischen als durch konventionelle Erhebungsmethoden wie
Sichtbeobachtungen bei Tauchgängen. «Dank der eDNA-Methode können wir
viele Fischarten und -familien viel schneller nachweisen als mittels
Beobachtungen», betont Loïc Pellissier, Professor für Ökosysteme und
Landschaftsevolution der ETH Zürich und einer der beiden Hauptautoren
einer Studie. Diese wurde soeben in der Fachzeitschrift «The Proceedings
of the Royal Society» veröffentlicht.

So waren die DNA-Analysen nach nur zwei Jahren abgeschlossen. Die
Sichtbeobachtungen, die in die Studie einflossen, stammen jedoch von
unzähligen Beobachter:innen und umfassen 13 Jahre Bestandserhebungen.

Mit dem neuen Ansatz entdeckten die Forschenden insbesondere mehr im
Freiwasser schwimmende (pelagische), riffgebundene und Arten, welche die
zahlreichen Höhlen und Spalten von Riffen bewohnen (kryptobenthische).
Taucher:innen bekommen solche Fische seltener zu Gesicht.

Viele der nachgewiesenen pelagischen Arten bevorzugen das offene Meer oder
tiefere Gewässer – oder sie gehören zu Familien, welche Menschen meiden
oder nicht permanent in Korallenriffen leben, wie Makrelen und Thunfische
aus der Familie Scombridae sowie Haie aus der Familie der Carcharhinidae
(Requiemhaie, etwa der Schwarzspitzen-Riffhai).

Die Entdeckung dieser Arten ist wichtig, da sie durch ihre nächtlichen
Wanderungen zum Riff aktiv an der Funktion eines Korallenriffs beteiligt
sind. Die Rolle dieser Fische für das Ökosystem wird deshalb oft
unterschätzt.

Ohne Sichtbeobachtungen geht es (noch) nicht

Allerdings lassen sich mittels eDNA nicht alle Arten gleich einfach
erfassen, wie beispielsweise Lippfische Labridae oder Schleimfische
Blenniidae. Referenzdatenbanken decken diese artenreichen Familien nur
teilweise ab, sagt der Biodiversitätsforscher. Aufgrund dieser Lücken
konnte ein erheblicher Teil der in den Wasserproben gefundenen eDNA bisher
nicht zugeordnet werden.

Die Forschenden sind jedoch mit Hochdruck daran, den eDNA-Ansatz
weiterzuentwickeln, die DNA von weiteren Fischarten zu sequenzieren und
die Daten in die Referenzdatenbanken einzuspeisen. Dennoch wird es auch
weiterhin Tauchgänge brauchen, um gewisse Arten, die mittels eDNA nur
schlecht entdeckt werden können, zu erfassen, aber auch, um biometrische
Informationen wie Grösse und Biomasse zu erheben.

Korallen-Dreieck ist aussergewöhnlich vielfältig

In ihrer aktuellen Studie bestätigten die Forschenden frühere
Erkenntnisse, wonach sich die Artenzusammensetzungen zwischen den
biogeografischen Meeresregionen stark unterscheiden. Besonders hoch ist
die Fischvielfalt im sogenannten Korallen-Dreieck zwischen Borneo, Papua
Neuguinea und den Philippinen. Hier leben bis zu fünfmal mehr Fischarten
und -familien als in der Karibik. Insbesondere Pflanzenfresser, darunter
auch korallenverzehrende Arten, sind im Korallen-Dreieck besonders
zahlreich.

Das hat laut Pellissier damit zu tun, dass dieses Gebiet in der
Erdgeschichte tektonisch sehr aktiv war (und noch immer ist) und sich
viele verschiedene Lebensräume herausbildeten. Auch war die
Oberflächentemperatur dieses Meeresgebiets während der Eiszeiten stabiler,
weshalb sich eine besonders hohe Vielfalt entwickeln konnte.
Die Karibik hingegen war dem Regime der Eiszeiten stärker unterworfen. In
Kaltzeiten schrumpften die dortigen Korallenriffe und die Fischbestände.
Zudem bildete sich vor über 2,7 Millionen Jahren die Landenge von Panama,
was unter anderem die Meeresströmungen in der Karibik veränderte. Beide
Ereignisse führten zu grösseren Aussterbewellen.

Internationale Zusammenarbeit

Für diese Studie wurde das Forschungskonsortium unter anderem von Monaco
Explorations, einer Organisation des Prinzen von Monaco, unterstützt.
Diese stellte den Wissenschaftlerinnen für den ersten Teil des Projekts
ein Forschungsschiff zur Verfügung. Damit konnten sie Wasserproben in der
Karibik und vor der Küste Kolumbiens sammeln. Weitere Proben wurden auf
separaten Reisen, die ebenfalls durch den monegassischen Hof finanziert
wurden, gesammelt.

«Für mich als Schweizer Forscher war es enorm wichtig, Teil einer
internationalen Kollaboration zu sein», sagt Pellissier. Ohne Vernetzung
mit Partnern in Frankreich, Kolumbien, Indonesien und Australien hätte er
diese Studie nicht durchführen können. Und: «Wir können in der Schweiz
nicht isolierte Forschung auf diesem Niveau betreiben.»
Noch in diesem Jahr ist eine weitere Expedition zum Sammeln von
Wasserproben geplant. Dieses Mal wollen die Forschenden die tropischen
Gewässer des Indischen Ozeans zwischen Südafrika und den Seychellen
beproben. Diese Expedition, die nun die Proben aus den Vorjahren ergänzen
wird, musste zudem wegen Covid vertagt werden.

Originalpublikation:
Mathon L, Marques V, Mouillot D, et al. Cross-ocean patterns and processes
in fish biodiversity on coral reefs through the lens of eDNA
metabarcoding. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences,
Volume 289, Issue 1973. Published: 20 April 2022. DOI:
10.1098/rspb.2022.0162