Molecular toolbox to investigate aquatic wildlife ecology

Weltweit verändern sich aquatische Ökosysteme aufgrund der synergistischen Effekte des Klimawandels und zunehmender anthropogener Aktivitäten rasch. Aquatische Topprädatoren wie Robben und Eurasische Fischotter gelten als Wächter der Umweltgesundheit und werden durch mehrere Konventionen geschützt. Die Auswirkungen von Umweltveränderungen auf die topprädatoren Wildtiere zeigen sich in Veränderungen der Populationsverteilung, vermehrtem Ausbruch und Verbreitung von Krankheiten, Immunsuppression und pathologischen Veränderungen in verschiedenen Organen. Herkömmliche Instrumente wie histopathologische Veränderungen sind wertvoll für die Bewertung von Läsionen. Molekulare Methoden eignen sich jedoch sehr gut für die Untersuchung und damit für die Erhaltung und Bewirtschaftung geschützter/gefährdeter Arten, da sie in kleinen Mengen von minimal-invasiv gesammeltem Gewebe und mit wenig oder gar keinem Stress für das Tier durchgeführt werden können und schnell einsatzbereit sind. Ziel dieser Arbeit war es daher, Instrumente eines molekularen Werkzeugkastens zu entwickeln und anzuwenden, um verschiedene Aspekte der Ökologie von Wildtieren zu analysieren.

In dieser Arbeit wurde eine neue eDNA-Metabarcoding-Methode entwickelt, und es wurden zwei neue 16S rRNA-Primer für Fische und Amphibien entwickelt. Im ersten Kapitel dieser Arbeit wurde der neu entwickelte Fisch-Primer zur Identifizierung der Ernährung von Fischottern (n = 47), Seehunden (54) und Kegelrobben (n = 21) eingesetzt, was die Wirksamkeit der Primer sowohl in Süßwasser- als auch in marinen Ökosystemen zeigte. Im zweiten Kapitel wurden Fisch- und Amphibienprimer kombiniert, um die Ernährung von Fischottern (n = 156) aus zwei Regionen in Deutschland (Schleswig-Holstein und Niedersachsen) zu entschlüsseln. Es zeigte sich, dass sich die Otter hauptsächlich von Stichlingen, Rotaugen und Fröschen ernährten. Obwohl die Fischotter an den verschiedenen Standorten ähnliche Arten zu sich nahmen, unterschieden sich die am häufigsten vorkommenden Arten: Stichlinge in Schleswig-Holstein und Rotaugen in Niedersachsen. Die Seehunde ernährten sich hauptsächlich von Plattfischarten, und für die Kegelrobben waren Hakenfische die wichtigste Beute. Nahrungsüberschneidungen zwischen den drei Arten wurden durch bipartite Netzwerke bestätigt, und die Entfernung zur Küste, die Jahreszeit, das Geschlecht oder das Alter hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Ernährung der Fischotter.    

In Kapitel 3 wurde eine Genexpressions-Biomarker-Methode eingesetzt, um die Auswirkungen von Spurenelementen auf grönländische Ringelrobben zu bewerten und das geeignete Gewebe für die Messung dieser Biomarker zu ermitteln. Die Konzentrationen von Cd, Hg und Se wurden in der Leber von sechzehn grönländischen Ringelrobben gemessen und mit den mRNA-Transkriptionsniveaus von Genen korreliert, die mit der Transformation von Xenobiotika, oxidativem Stress, endokrinen Störungen und der Immunaktivität in Blut und Blubber in Zusammenhang stehen. Die Konzentrationen der Spurenelemente waren in der folgenden Reihenfolge: Hg > Se > Cd, und die Hg und Se-Konzentrationen waren bei adulten Ringelrobben höher als bei subadulten Tieren und schienen in der Population in den letzten zehn Jahren um das Zweifache gestiegen zu sein. Die mRNA-Transkriptionswerte von ARNT, PPARa, ESR1, TRa und IL-2 waren im Blubber höher als im Blut, was darauf hindeutet, dass der Blubber als Speicherort für lipophile Schadstoffe dient. HSP70 und IL-10 waren im Blut, einem Gewebe, das leicht durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) angegriffen wird, höher. Es gab keine signifikanten Korrelationen zwischen den Spurenelementkonzentrationen und den mRNA-Transkriptionsniveaus, was darauf hindeutet, dass andere Stressfaktoren als die gemessenen für die beobachteten Genexpressionsniveaus verantwortlich waren. 

Die vorliegende Arbeit zeigt, wie wertvoll molekulare Ansätze für die Aufklärung verschiedener Aspekte der Ökologie von Wildtieren in aquatischen Ökosystemen sind. Die Kombination von eDNA-Metabarcoding-Ernährungsanalysen bei aquatischen Säugetieren aus ganz Deutschland mit Genexpressions-Biomarkern bei Ringelrobben aus Grönland zeigte die Reaktion aquatischer Säugetiere auf eine Vielzahl von Stressoren in drei aquatischen Regionen und könnte zu ihrem Management beitragen und dabei helfen, einen guten Umweltzustand zu erreichen. Daher sollten die Instrumente dieses molekularen Werkzeugkastens in Überwachungs- und Risikobewertungsprogramme sowie in die Auswahl von Indikatorarten einbezogen werden.