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Genom-Analyse der Dunklen Biene in der Schweiz

Genom-Analyse der Dunklen Biene in der Schweiz

Eine Genom-Analyse von Drohnenlarven aus 151 Bienenvölkern in der Schweiz und in Savoyen (F) zeigt, dass sich die Unterarten der Honigbienen klar voneinander unterscheiden. Die Mellifera-Populationen zeigen erfreulicherweise eine hohe genetische Diversität, erklären Melanie Parejo und Markus Neuditschko von der Uni Bern und Agroscope in Bern-Liebefeld.

​In der Schweiz wird heute mit drei Unterarten und einer Zuchtrasse der Honigbiene sowie mit Hybriden geimkert:

Auf der Alpennordseite:

Auf der Alpensüdseite (im Tessin):

Innerhalb der Art der Westlichen Honigbiene gehört die Unterart Mellifera zur M-Gruppe aus Westeuropa, Mitteleuropa, Nordeuropa und Osteuropa. Die Unterarten Carnica und Ligustica sind dagegen der C-Gruppe aus Südosteuropa zuzuordnen.

Populations-Struktur und Diversität der Schweizer Honigbienen

​Die Aufsehen erregende Studie erfasst die aktuelle Populationsstruktur und Diversität der Honigbienen in der ganzen Schweiz und im benachbarten Savoyen (F). Hauptautorin der Studie ist die Doktorandin Melanie Parejo von der Uni Bern und dem Zentrum für Bienenforschung der Agroscope in Bern-Liebefeld.

Mit Hilfe der Genom-Sequenzierung bestimmte sie neben der Populations-Struktur und der Diversität die Hybridisierung der Unterarten und analysierten neue genetische Marker (sogenannte Single Nucleotide Polymorphisms SNPs, gesprochen SNiPs).

Diese Marker können künftig für die Selektion von Schweizer Honigbienen genutzt werden. Mit mehr Stichproben aus anderen Ländern können auch globale Vergleiche zwischen Honigbienen-Populationen durchgeführt werden.

151 Drohnenbrut-Proben aus der Schweiz und Savoyen (F) genetisch analysiert

Bienen-Populationen (Parejo et al. 2016)

In Zusammenarbeit mit den Schweizer Imkerverbänden VDRB, SCIV, SAR, BIVS und mellifera.ch sammelte Melanie Parejo im Jahre 2014 Drohnenbrut-Proben von den Honigbienen-Unterarten Mellifera und Carnica sowie von der Zuchtrasse Buckfast aus der ganzen Schweiz und (dort nur Apis mellifera mellifera) aus dem Departement Savoyen in den französischen Alpen (siehe Abbildung 1):

  • ​72 Mellifera-Proben aus der Schweiz (davon 39 aus den Schweizer Schutzgebieten)
  • 31 Mellifera-Proben aus Savoyen (F)
  • 34 Carnica-Proben aus der Schweiz
  • 14 Buckfast-Proben aus der Schweiz
  • 151 Proben TOTAL

Die Schweizer Schutzgebiete für die Dunkle Biene (Apis mellifera mellifera) sind:

  • Glarus (in der Studie als CGL bezeichnet) ~ 1000 Völker auf 680 km2)
  • Val Müstair, Graubünden (CVM) ~ 300 Völker auf 199 km2
  • Diemtigtal, Berner Oberland (CDI) ~ 300 Völker auf 135 km2
  • Melchtal, Obwalden (CME) ~ 50 Völker auf 150 km2
Dazu kommen die Mellifera-Proben aus dem Schutzgebiet des Centre d'Etudes Techniques Apicoles de Savoie (CETA) in den französischen Alpen. Das CETA arbeitet mit dem Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) und dem Muséum National d'Histoire Naturelle (MNHN) in Paris eng zusammen. Das CETA verfolgt die gleichen Ziele wie der Schweizer Verein mellifera.ch, was einen guten Vergleich ermöglicht. Zudem sind Topographie sowie Klima der Region Savoyen vergleichbar mit der Schweiz.

Hybrid-Analyse mittels neuen Technologien

Das vollständige Genom der Westlichen Honigbiene wurde erstmals 2006 sequenziert, und zwar von einer Ligustica-Drohnenlarve. Es besteht aus 14'000 Genen mit rund 247 Millionen Basenpaaren. Zum Vergleich: Das zwei Jahre früher vollständig sequenzierte Genom des Menschen ist mit 3 Milliarden Basenpaaren mehr als zehnmal so gross.

Die erste Sequenzierung des menschlichen Genoms dauerte seinerzeit mehr als 10 Jahre, zeitweise arbeiteten über 1'000 Wissenschaftler aus 40 Ländern intensiv an dem Projekt. Heute kostet die Genom-Sequenzierung eines Menschen «nur» noch rund 1000 Franken, bei einer Honigbiene immerhin noch 250 Franken.

Durch die rasche Weiterentwicklung neuer DNA-Sequenzierungs-Technologien muss für einen sicheren Hybrid-Test nicht mehr das ganze Genom analysiert werden. Die Technologie, welche Melanie Parejo und Markus Neuditschko erstmals einsetzten, kann dies schon mit 50 SNiPs.

So funktioniert die Genom-Analyse von Drohnenlarven

Melanie Parejo analysierte den Datensatz von 151 Drohnen-Genomen (= Gesamtheit der Gene). Davon waren 103 Proben von Mellifera-Völkern aus der Schweiz und dem benachbarten Savoyen.

Die Wissenschafterin entnahm aus jedem dieser 151 Bienenvölker eine Drohnenlarve, von deren Gewebe sie die DNA analysierte. Drohnenlarven deshalb, weil Drohnen nur einen haploiden (= einfachen) Chromosomen-Satz haben. Alle 16 Chromosomen dieser Larven stammen also von der Mutter, denn Drohnen haben keinen Vater.

Nach der bioinformatischen Aufbereitung der Sequenzdaten konnten sie über 3,3 Millionen informative genetische Marker (SNiPs) auf dem Bienen-Genom kartieren und für die Erfassung der Populationsstruktur und Diversitätsberechnung verwenden.

Zum Vergleich: Die genetische Hybrid-Analyse

​Zum Vergleich: Die von mellifera.ch seit 2007 verwendete genetische Hybrid-Analyse basiert auf zwölf Mikrosatelliten (Short Tandem Repeats STR), die im Genom oft wiederholt werden. Diese Mikrosatelliten vergleicht man mit 355 Referenz-Proben aus der Schweiz, Frankreich, Norwegen, Schweden und Irland (alle Mellifera) sowie Österreich und Slowenien (Carnica).

Jede Population hat ein bestimmtes Muster von Allel-Frequenzen (alternative Formen eines DNA-Abschnittes im Genom). Die genetische Hybrid-Analyse bestimmt mit diesen Allel-Frequenzen die Populationsstruktur, Migration und Hybridisierung.

Dabei können die einzelnen Individuen mit einer Wahrscheinlichkeit von über 90 Prozent einer oder (bei Hybridisierung) mehreren Populationen zugeordnet werden. Die analysierten Bienen sind also nicht (!) über 90 Prozent reinrassig, sondern gehören mit einer Wahrscheinlichkeit von über 90 Prozent zu einer bestimmten reinrassigen Population. Diese genetische Hybrid-Analyse kostet heute 120 Franken, ist also heute noch günstiger als die Genom-Analyse.

Schweizer Mellifera-Populationen mit grosser genetischer Diversität

Parejo konnte die Unterarten durch die Genom-Sequenzierung klar identifizieren und den Hybridisierungs-Grad zwischen C-Gruppe und M-Gruppe genau berechnen. «Erfreulicherweise ist in der Schweizer Mellifera-Population eine grosse genetische Diversität innerhalb der Unterart vorhanden», erklärt Markus Neuditschko als einer der Mit-Autoren dieser Studie, «vor allem im Vergleich zur globalen Honigbienen-Population».

Und Hauptautorin Melanie Parejo ergänzt: «Der Erhalt dieser Vielfalt in der Schweizer Mellifera-Population ist wichtig um für zukünftige Umweltveränderungen und neue Krankheiten und Parasiten gewappnet zu sein.»

M-Gruppe und C-Gruppe der Westlichen Honigbiene unterscheiden sich klar

Hauptkomponentenanalyse (Parejo et al. 2016)

​In einer Hauptkomponenten-Analyse (siehe Abbildung 2) ist der Unterschied der genetischen Verwandtschaft zwischen den Honigbienen der M-Gruppe und der C-Gruppe auf der Komponente 1 klar und deutlich ersichtlich. Diese Komponente 1 erklärt über 95 Prozent der Variationen zwischen den untersuchten Honigbienen.

Auf der Komponente 2 lassen sich weitere Sub-Strukturen erkennen, auf denen Carnica und Buckfast genetisch differenziert werden. Klar und deutlich lassen sich auch die Schweizer Mellifera-Populationen von jener im benachbarten Savoyen (F) unterscheiden.

Populationsstruktur zeigt Unterschied der Mellifera in der Schweiz und in Savoyen (F)

Netzwerk (Parejo et al. 2016)

Melanie Parejo und Markus Neuditschko haben danach die Populations-Struktur der Schweizer Honigbienen als Netzwerk dargestellt (siehe Abbildung 3). Die Verbindungslinien zeigen die genetische Distanz zwischen den einzelnen Bienen.

Die hybridisierten Bienen mit gemischter Abstammung befinden sich klar zwischen den Bienen der M-Gruppe und der C-Gruppe. Die Analysen zeigten zudem, dass die Buckfast-Bienen genetisch eng mit den Carnica-Bienen verwandt sind.

Auch hier konnte interessanterweise eine Sub-Struktur zwischen den Mellifera-Völkern in der Schweiz und jenen im benachbarten Savoyen (F) aufgezeigt werden. Dass einzelne französische Bienen eine starke Verwandtschaft zur Schweizer Population zeigen, beweist: Die Zucht von lokalen Bienen-Populationen verläuft nicht starr entlang von Landesgrenzen, zwischen benachbarten Populationen findet ein Gen-Austausch statt.

Geringe Hybridisierung und hohe genetische Diversität der einheimischen Mellifera

​«Der Hybridisierungs-Grad zwischen der einheimischen Mellifera und den Bienen der C-Gruppe (Buckfast und Carnica) ist generell gering» betont Melanie Parejo, «und die meisten Proben können wir eindeutig der jeweiligen Unterart zuordnen.»

Auf den ersten Blick erstaunt die Reinheit der Schweizer Mellifera, wurde doch die einheimische Dunkle Biene ab den 1970er und zunehmend in den 1990er Jahren durch Importe insbesondere der Carnica zuerst hybridisiert und dann grossflächig verdrängt.

«Die langjährige konsequente Reinzucht der Mellifera auf den Schweizer Belegstellen in meist abgelegenen Gebirgstälern zeigt heute ihre Wirkung», erklärt Melanie Parejo. Mit der neuen Technologie könne das «Management» auf den Belegstellen weiter optimiert werden mit dem Ziel, noch weniger Hybridisierung und gleichzeitig mehr Diversität zu erreichen.

«Die genetische Diversität der verschiedenen Populationen ist aber für die untersuchten Unterarten der Westlichen Honigbiene hoch und vergleichbar mit anderen bereits publizierten Studien» freut sich die Bienenforscherin, «in der Schweiz sind keine Anzeichen von Inzucht zu finden.»

Die höchste genetische Vielfalt ist logischerweise in der Zuchtrasse der Buckfast zu finden. Die geringste genetische Diversität wurde bei der Carnica ermittelt, was auf eine mögliche hohe Selektions-Intensität im Zuchtprogramm hindeutet.

Genetische Marker für die künftige Anwendung in der Bienenzucht

​Ein Ziel der Studie von Melanie Parejo ist, dass man künftig mit nur 50 informativen genetischen Markern (SNiPs) die Bienen der C-Gruppe (Carnica und Buckfast) von der einheimischen Mellifera unterscheiden kann. Mit diesen genetischen Markern lässt sich zudem der Hybridisierungs-Grad sehr genau berechnen, so dass die SNiPs zum Werkzeug für die Selektion in der Bienenzucht werden könnten.

In Zukunft wird es auch möglich sein, genetische Marker für wichtige Zuchtziele zu entwickeln und diese zu ergänzen. Allerdings braucht es dazu noch viel mehr und vor allem genauere Daten zu den wichtigsten Phänotypen im Zuchtprogramm. Die Honigbiene macht es aber Forschern wie Melanie Parejo und Markus Neuditschko nicht leicht: Ihre komplexe Paarungs-Biologie und Genetik ist eine Herausforderung für die Bienenforscher.

Referenzen

© Foto: Jürg Vollmer. Melanie Parejo von der Uni Bern und Agroscope in Bern-Liebefeld im Labor.

TV-Programm: Bienen & Imker im April 2017
Mellifera-Forum für die Dunkle Biene in der Schwei...

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