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Genetischer Hybridtest

Die Bedeutung des DNA-Hybridtests für die Zucht und Erhaltung der Dunklen Biene Schweiz

Epochenwechsel bei der Rassebestimmung: Von der Morphologie zur DNA-Analyse
Die Populationsgenetik untersucht Vererbungsvorgänge innerhalb biologischer Populationen und zieht dadurch Rückschlüsse auf Einwanderungen, Selektion, Populationsteilungen und Vermischungen. Sie ist von grosser Bedeutung bei der Erforschung der Entwicklungsgeschichte. Vor der Entwicklung molekulargenetischer Methoden (Methoden für die Untersuchung genetischen Materials) bediente sich die Populationsgenetik der Untersuchung von Körpermerkmalen.

Die Untersuchungen und Vergleiche des Erscheinungsbildes hatten verschiedene Nachteile, die zu Ungenauigkeiten führten. Zum einen lassen sich die Auswirkungen der Lebensbedingungen oft schwer von denjenigen der genetischen Anlage unterscheiden. Auch kann es beim Zusammenspiel verschiedener Gene zu den unterschiedlichsten Ausprägungen kommen. Der Wechsel von den äusseren Merkmalen hinweg auf die genetische Ebene war ein unglaublicher Fortschritt und eröffnete unzählige neue Möglichkeiten in der Erforschung des Zusammenspiels von Populationen.

Bereits in den 1980er Jahren begann der Populationsgenetiker Prof. Jean Marie Cornuet in Frankreich die einheimische Honigbiene, Apis mellifera mellifera, als Modellorganismus zu verwenden. Ihm folgten bis heute einige weitere namhafte Wissenschafter. Auch in Dänemark befassten sich Prof. Bo Vest Pedersen von der Universität Kopenhagen und heute Dr. Per Kryger vom Dänischen Forschungsinstitut mit der Genetik der einheimischen Honigbiene. Die Schwesterunterart in Spanien wird seit Jahren von Dr. Pilar de la Rua am Spanischen Forschungsinstitut für Bienenkunde auf den Einfluss von eingeführten Rassen untersucht. Auch amerikanische Apidologen bedienten sich populationsgenetischer Werkzeuge. So konnte unter anderem nachgewiesen werden, dass die berüchtigte «Killerbiene» durch eine Verkreuzung der europäischen mit nachträglich eingeführten Rassen aus Afrika entstand. In der Schweiz wurde 2003-2006 eine Untersuchung über die Vermischung der verschiedenen Zuchtpopulationen durchgeführt.

Neben den Untersuchungen über die Vermischung zwischen den Rassen gibt es eine Vielzahl an Untersuchungen über die Evolutionsgeschichte der Honigbiene. In «vor-molekulargenetischer» Zeit wurde dieser Aspekt von Prof. Friedrich Ruttner am Bieneninstitut in Lunz am See (A) erleuchtet. Er untersuchte und verglich zu diesem Zweck die Körpermorphologie (Körpergestalt) der Honigbienen aus verschiedenen Ländern von Europa bis Afrika. Sein Werk war ein Grundstein in der Erkenntnis der biologischen Entwicklung und Besiedelungsgeschichte der Honigbiene und wurde in seinem Werk «Naturgeschichte der Honigbiene» zusammengefasst. Mittels genetischer Untersuchungen konnten bisher viele seiner Erkenntnisse bestätigt werden. Auch kamen neue, verfeinerte Erkenntnisse hinzu.

Die Dunkle Biene, A. m. mellifera, bildet zusammen mit ihrer Schwester-Rasse, A. m. iberica, aus Spanien, genetisch einen ausgesprochen eigenständigen Zweig gegenüber der Gruppe mit A. m. ligustica und A. m. carnica, welche wiederum eine eigenständige Gruppe bilden. Weitere Zweige sind in Afrika und im östlichen Mittelmeerraum sowie in Ostafrika zu finden.

Prof. Dr. Dr. Ruttner Friedrich (*1914 in Eger, †1998 in Lunz).

Wissenschaftler, prägte die Systematik der Honigbienenarten nachhaltig.

Anfang der 1990er Jahre wurden durch Prof. Pedersen Bienenproben aus verschiedenen europäischen Ländern auf ihre Verwandtschaftsbeziehungen untersucht. Glaubte man bisher an eine weitgehende Hybridisierung der Dunklen Biene, wurde nun der erste Nachweis auf ihre immer noch bestehende Eigenständigkeit erbracht. Seit dem Jahr 2000 wurden verschiedene neue wissenschaftliche Methoden entwickelt, um die Einkreuzung bei Populationen und sogar bei einzelnen Individuen nachzuweisen. Die Methoden fanden in unzähligen wissenschaftlichen Arbeiten Verwendung. Die Ergebnisse bei der Honigbiene waren einerseits erschütternd aber gleichzeitig auch beruhigend, da eindeutig reinrassige Bestände nachgewiesen werden konnten.
Die Auswirkungen auf die Schweizer Zuchtpopulation wurden mit der Arbeit von Soland 2008 veröffentlicht. Trotz intensiver Bewirtschaftung der Schweizer Mellifera Zuchtpopulation mit Flügelmorphometrie wurde mit molekulargenetischen Methoden ein massiver Hybrideinfluss festgestellt. Der Hybrideinfluss war noch bedeutender als in der Umgebungspopulation. Das Muster lässt vermuten, dass einige unentdeckte Einkreuzungen in der Population sogar einen selektiven Vorteil hatten. Möglicherweise durch den Heterosiseffekt, der zu einer erhöhten Leistung bei F1 Hybriden führt. Auch die Carnica Zuchtpopulation wies einen Hybrideinfluss auf, trotz der kontinuierlichen Einspeisung reinrassiger Bestände aus ihrem Ursprungsgebiet. Trotz Einkreuzung konnte mit den Resultaten eine in der Imkerschaft allgemein verbreitete Aussage eindeutig widerlegt werden. Nämlich, dass die Mellifera in ihrer Reinform nicht mehr vorkomme und nur noch aus Hybriden bestehe (sogenannte «Schweizer Landrasse»). Trotz massiver Einkreuzung konnten in manchen Regionen vollständig erhaltene Melliferapopulationen nachgewiesen werden.

Für zahlreiche Interessengruppen war dies Anhaltspunkt und Motivation zu gezielter Tätigkeit im Bereich Schutz und Zucht der Dunklen Biene. Durch das Angebot des DNA Hybridtests durch Apigenix wurden diese Analysen erstmals für den Imker als Routine verfügbar und wurden im neuen Zuchtkonzept integriert. Neu entstandene Schutzgebiete nutzen den Hybridtest für die Etablierung ihres Gebietes.

Glaubte man bisher an eine weitgehende Hybridisierung der Dunklen Biene, wurde nun der erste Nachweis auf ihre immer noch bestehende Eigenständigkeit erbracht.

Unterschiedliche Ausgangslage für die Carnica und Mellifera:Das Problem der Flügelmessungen

Die Verdrängung und fortschreitende Hybridisierung der noch vor 50 Jahren bedeutenden Bestände der A. m. mellifera war nun bekannt. In dieser Situation brauchte es ein analytisches Verfahren, das Hybridisierung verlässlich dokumentieren konnte. Dass besonders die Zuchtpopulation durch versteckte Einkreuzungen stark gefährdet schien, zeigt die Unschärfe der Flügelmessungen und den Handlungsbedarf zur Anwendung verfeinerter Methoden. Es ist also kein Zufall, dass von Seiten der Mellifera die Flügelmessungen als problematisch erkannt wurden und ein konsequenter Wechsel zur DNA-Hybridanalyse vollzogen wurde.
Anders sieht es bei der Carnica aus: Carnica Zuchtbestände basieren in der Regel auf reinrassigem Material, das aus Slowenien und Österreich importiert wurde und wird. Es wird davon ausgegangen, dass das Muttermaterial und die Paarungspartner nicht nur reinrassig sind, sondern sogar einer bestimmten, morphometrisch klar definierten Linie angehören. Eine Analyse soll lediglich die Fehlanpaarungen analysieren. Die Frage lautet: «Sind bei der Anpaarung Fremdeinflüsse feststellbar?» Dazu werden bis zu 50 Arbeiterinnen aus einem Volk untersucht. Die Verteilung der Flügelwerte geben Aufschluss über eine mögliche Fehlanpaarung.

Biologisch bedingt haben die morphologischen Messungen eine Grauzone, in der die Definitionen, wie die biologischen Rassen morphologisch definiert sind, sich überlappen. D.h. es gibt einen Bereich, wo es sich selbst bei reinrassigen Völkern ebenso gut um eine Mellifera, wie auch eine Carnica handeln könnte. Daher geht man auf Nummer sicher und selektioniert Völker, deren Bienen im Durchschnitt extrem dem Bild der Zuchtpopulation entsprechen. Dass der Cubitalindex der Carnica, der im natürlichen Mittel bei 2,5 liegt, heute in der Zuchtpopulation auf 3,16 hochgezüchtet wurde, ist die praktische Auswirkung solchen Tuns.

Dass besonders die Zuchtpopulation durch versteckte Einkreuzungen stark gefährdet schien, zeigt die Unschärfe der Flügelmessungen und den Handlungsbedarf zur Anwendung verfeinerter Methoden.

Dass die elaborierte Methode von Ruttner mit über 20 verschiedenen Körpermerkmalen in ihrer amputierten Version überhaupt derart Verbreitung gefunden hat, erklärt sich aus dem Bedarf der Bienenzüchter nach einer Möglichkeit, die Sicherheit der Anpaarungen zu kontrollieren. In der Carnicazucht in zuvor reinen Melliferagebieten schien die Methode auch durchaus vielversprechend, da die wichtigste Grundvoraussetzung gegeben war. Die beiden untersuchten Gruppen, Zuchtpopulation und Umgebungspopulation waren signifikant verschieden. Dem Überlappungsbereich begegnete man mit einfachem Ausschluss. Ausser der Reduktion auf ein einziges Körperteil, den Flügel, macht die Methode durchaus Sinn. Inzwischen ist ihre Anwendung leider pervertiert. Die Populationen sind, vor allem durch die, dank Ruttner, weit beförderte Carnicazucht derart mosaikartig vermischt, dass eine klare Abgrenzung zwischen Umgebungs- und Zuchtpopulation nicht mehr gegeben ist. Die wichtigste Grundvoraussetzung für die Sicherheit der Methode ist somit meist nicht mehr gegeben. In Deutschland z. B., wo der gesamte Bestand auf Carnica umgeweiselt wurde, fand ein regelrechter Cubitalindex-Hype statt. Oft war der hohe Cubitalindex das primäre Zuchtziel unter Vernachlässigung der Leistungsmerkmale. Die Züchter wurden zum Gespött der Imkerschaft. Welchen Sinn die Flügelmessungen in Österreich, dem Stammland der Carnica hatten, lasse ich hier lieber offen.

Die Frage stellt sich nun nach Jahrzehnten von neuem: «Wie entdeckt man eine Fehlpaarung?» In Zeiten der Molekulargenetik könnte eine einfache genetische Vaterschaftsanalyse Auskunft geben. In prä-molekulargenetischen Zeiten war man auf die morphometrischen Methoden, künstliche Besamung oder das Reinzuchtgebiet angewiesen.

Komplexe Funktion und richtige Interpretation der DNA-Hybridanalyse.

Dass dies komplexe Zusammenhänge sind, ist unbestritten und manch einer wird sich bei der Lektüre dieses Artikels wahrscheinlich die Augen reiben. Wenn bereits die Zusammenhänge bezüglich der morphometrischen Merkmale einiges an komplexem Denken abverlangen, wird klar, dass es für das breite Publikum meist frustrierend ist, einem Populationsgenetiker bei der Erläuterung seiner Methoden lauschen zu müssen. Es sei nur soviel gesagt: Es gibt verschiedene genetische Marker (Merkmale), die für verschiedene Aussagen verwendet werden. Um die Hybridisierung innerhalb eines Tieres feststellen zu können, müssen Merkmale verwendet werden, welche von Mutter wie Vater vererbt werden (keine mitochondriale DNA). Es existieren verschiedene statistische Methoden, die ihre Resultate in Form einer Wahrscheinlichkeit ausdrücken. Zur Interpretation dieser Wahrscheinlichkeit müssen genaue Kenntnisse über die Grundannahme der jeweiligen Methode vorliegen. Fehlen diese, wird die Interpretation meist fatal fehlerhaft. Ein Beispiel: Die von Apigenix verwendete Methode gibt sechs verschiedene Wahrscheinlichkeiten wieder, die alle zusammen zu einer totalen Wahrscheinlichkeit von 100% kumulieren (zusammenfassen). Einer dieser Werte drückt die Wahrscheinlichkeit aus, eine reinrassige Mellifera zu sein. Laien interpretieren diesen Wert rasch als den Anteil des in dieser Biene vorhandenen Melliferamaterials. Diese Interpretation ist allerdings falsch. Ein Wert von 80% sagt nicht aus, dass die Biene 20% fremde Gene in sich trägt, sondern, dass diese Biene zu 80% wahrscheinlich reinrassig ist im Vergleich zu anders rassig, F1-Hybride, F2-Hybride oder Rückkreuzung mit der einen oder anderen Rasse. Es wird dabei klar, dass es eine grosse Gefahr darstellt, Laien mit den blanken Resultaten von genetischen Untersuchungen zu konfrontieren. Je nach angewandter Methode muss die Interpretation eine andere sein (Anteil genetischen Materials, Wahrscheinlichkeit ein Migrant zu sein, Wahrscheinlichkeit reinrassig zu sein, Wahrscheinlichkeit ein Hybrid zu sein, Wahrscheinlichkeit mit xy verwandt zu sein,...).

Es wird dabei klar, dass es eine grosse Gefahr darstellt, Laien mit den blanken Resultaten von genetischen Untersuchungen zu konfrontieren. Je nach angewandter Methode muss die Interpretation eine andere sein.

Aber auch wenn der Wechsel von den einfach scheinenden, jedem zugänglichen Flügelmessungen zu den molekulargenetischen Methoden die Imker schmerzt, die ihre Unabhängigkeit so lieben, ist es in der heutigen Situation die einzige realistische Methode zur Beantwortung der Frage: «Ist meine Zuchtmutter reinrassig oder ist sie eine Hybride?».

Schliesslich geht es beim Wechsel vom morphologischen Verfahren zur Populationsgenetik auch darum, mit der Zeit zu gehen und den Anschluss an diejenige Wissenschaft zu pflegen, die für die Erhaltung der Dunklen Biene wertvolle Grundlagen geschaffen hat.

Dass die führenden Zuchtorganisationen der Carnica in Europa nach wie vor an der Lehre und Praxis der morphologischen Messungen festhalten, erscheint aus dem Dargelegten heraus nachvollziehbar, wenn auch schwerlich verständlich.

Gregor Johann Mendel (Geburtsname
Johann Mendel, * 20. Juli 1822 in Hein-
zendorf (heute Ortsteil von Vražné) bei
Odrau, Österreichisch-Schlesien; † 6. Ja-
nuar 1884 in Brünn) war ein katholischer
Priester und bedeutender Naturforscher.

Aus der Geschichte der DNA-Analyse

Die DNA-Analyse hat sich im Bereich der Molekulargenetik entwickelt. Die Geschichte der Genetik beginnt mit dem Augustinermönch Gregor Mendel, der Mitte des 19. Jahrhunderts (übrigens ganz unbeabsichtigt) die nach ihm benannten Vererbungsregeln entdeckt. 50 Jahre später werden die Chromosomen als Träger der Erbinformation erkannt. Dass die Gene die Bauanleitung für die Herstellung von Eiweissen enthalten, weiss man ab Mitte des 20. Jahrhunderts. 1953 stellen James Watson und Francis Crick die Doppelhelixstruktur der Erbsubstanz (DNA) vor. Damit kennt man die molekulare Grundlage für Genmutationen und Rekombinationen. 1969 gelingt die Isolierung eines einzelnen Gens. Im selben Jahr werden in Bakterien die Restriktionsenzyme entdeckt.

Diese Eiweisse können die DNA an bestimmtenStellen schneiden, was sie zu idealen Werkzeugen der Molekularbiologen macht. Sechs Jahre später gelingt die Sequenzierung von DNA. 1983 wird die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) entwickelt, ein weiterer technischer Meilenstein. Mit dieser Methode können bestimmte Abschnitte DNA aus geringsten Mengen von Genmaterial milliardenfach kopiert und damit mess- und sichtbar gemacht werden. Im Jahr 2001 wird die vollständige Sequenzierung des menschlichen Genoms gefeiert. Seit 2003 ist das Genom der Honigbiene vollständig entschlüsselt.

Die Honigbiene ist damit das vierte genetisch entzifferte Insekt - nach der Taufliege Drosophila, der Moskitoart Anopheles gambiae und der Seidenraupe Bombyx mori. Mit dem entzifferten Genom konnten die Forscher unter anderem herausfinden, dass die westliche Honigbiene (Apis mellifera) aus Afrika stammt. Oder dass sich ihr Erbgut im Vergleich zu anderen bereits genetisch entzifferten Insekten nur langsam entwickelt hat und besonders viele Gene für den Geruchssinn enthält. Dem Genom war auch zu entnehmen, wie der soziale Lebensstil der Bienen entstanden ist und wie er seinerseits das Erbgut geformt hat.

Dr. Gabriele Soland,
wissenschaflicher Beirat mellifera.ch
und Reto Soland, Zuchtchef mellifera.chAusgabe Magazin 1/12

James Dewey Watson, (* 6. April 1928) ist ein US-amerikanischer Biochemiker und Nobelpreisträger.

Er entdeckte zusammen mit Francis Crick die Molekularstruktur der Desoxyribonukleinsäure (DNA). In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gilt er als einer der bedeutendsten Molekularbiologen aller Zeiten.

Francis Harry Compton Crick OM (* 8. Juni 1916 in Northampton, England; † 28. Juli 2004 in San Diego, USA) war ein englischer Physiker und Biochemiker.

Er entdeckte zusammen mit James Watson die Molekularstruktur der Desoxyribonukleinsäure (DNA)