Aufgabe 3 - Gentechnik und Artnachweis · Abitur NRW Biologie GK · Nachtermin · Weiterbildungskolleg 2023

Thema: Zebramuscheln und Quagga-Muscheln im Bodensee

Material A: Zebramuscheln im Bodensee

Die Zebramuschel ( Dreissena polymorpha) war ursprünglich heimisch in Südosteuropa. Sie wurde erstmalig in der Mitte der 1960er Jahre im Bodensee entdeckt. Vermutlich ist sie über den Schiffsverkehr des Rheins in den Bodensee gelangt.

Zebramuscheln werden etwa zwei bis drei Zentimeter groß. Ihre Lebensdauer beträgt etwa drei bis fünf Jahre. Häufig wird schon im ersten Jahr die Fortpflanzungsfähigkeit erreicht. Weibchen können bei geeigneten Temperaturverhältnissen zwei- bis fünfmal pro Jahr bis zu einer Million Eier freisetzen, die dann im Wasser befruchtet werden. Dabei muss das Wasser mindestens 15 °C warm sein. Im Bodensee werden diese Wassertemperaturen im Sommer oberhalb von etwa 25 Metern Wassertiefe erreicht. Im Unterschied zu heimischen Muschelarten durchläuft die Zebramuschel im Laufe ihrer Entwicklung ein freischwimmendes Larvenstadium. Die adulten Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Wassertiefen bis zu etwa 40 Metern und filtrieren, wie alle Muscheln, sowohl Algen als auch Algen fressende Kleinkrebse aus dem Wasser. Die Zahl der Algen verringerte sich deutlich nach Verbreitung der Zebramuscheln im Bodensee.

Harte Oberflächen im Wasser wie zum Beispiel Felsen werden komplett innerhalb weniger Monate von Zebramuscheln überdeckt. Auch heimische Muscheln werden überwuchert und damit von der Nahrungsaufnahme ausgeschlossen. Zebramuscheln können durch ihr Wachstum zudem Rohrleitungen von Fabriken, Kraftwerken und Trinkwassergewinnungsanlagen verstopfen.

Zebramuscheln werden hauptsächlich von tauchenden Wasservögeln wie Reiher- und Tafelenten, die am Bodensee überwintern, gefressen. Diese Enten tauchen bis zu drei Meter tief und erbeuten die auf den Felsen wachsenden Zebramuscheln. Nach anfänglich starkem Anstieg der Populationsgröße der Zebramuschel erfolgte ab 1974 ein Bestandsrückgang, während die Populationsgrößen der Wasservögel anstiegen.

Material B: Dreissena -Muscheln im Bodensee

Im Bodensee wird seit 2016 die vermehrte Ausbreitung der Quagga-Muschel ( Dreissena bugensis) beobachtet. Sie kann eine Größe von bis zu vier Zentimetern erreichen und wird etwa drei bis fünf Jahre alt. Im Unterschied zur Zebramuschel ist eine Reproduktion bereits bei einer Wassertemperatur von 5 °C möglich. Quagga-Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Tiefen von bis zu 80 Metern. Das Nahrungsspektrum der Quagga-Muschel besteht aus Algen und Kleinkrebsen, die filtriert werden. Auch diese Muscheln werden von tauchenden Enten erbeutet.

Beide Dreissena -Arten durchlaufen in ihrer Entwicklung ein gleich aussehendes Larvenstadium. In Langzeitstudien untersuchte man die Häufigkeit von Larven der Dreissena -Muscheln im Jahresverlauf (Abbildung 1). Zusätzlich wurde die Verteilung der Larven der Dreissena -Muscheln in der Seetiefe im Sommer vor und nach der Besiedlung des Bodensees durch die Quagga-Muschel, die 2016 erstmals dort nachgewiesen wurde, ermittelt (Abbildung 2).

Material C: Das Multiplex-PCR-Verfahren für Artnachweise

Zebramuschel und Quagga-Muschel lassen sich im adulten Stadium morphologisch meistens gut unterscheiden. Häufig ist die Schale der Zebramuscheln geradliniger und kantiger. Allerdings finden sich immer auch Muscheln, die sich aufgrund ihrer Schalenmorphologie nicht eindeutig einer der beiden Dreissena -Arten zuordnen lassen.

Zum Artnachweis kann eine Multiplex-PCR als molekulares Verfahren durchgeführt werden. Bei der Multiplex-PCR werden zwei oder auch mehr unterschiedliche, artspezifische Primerpaare gleichzeitig in einem PCR-Ansatz verwendet. Die Primerpaare sind so gewählt, dass die jeweiligen PCR-Produkte aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe nach gelelektrophoretischer Auftrennung gut unterscheidbar sind.

Bei diesem Experiment ist ein Primerpaar spezifisch für die Zebramuschel und ein weiteres Primerpaar spezifisch für die Quagga-Muschel. Es wurden DNA-Proben unterschiedlicher Muschel-Individuen mithilfe der Multiplex-PCR analysiert. Die ersten beiden Proben stammen von morphologisch eindeutig identifizierten Individuen von Zebramuschel oder Quagga-Muschel. Die Proben A bis D stammen von jeweils einem Individuum unbekannter Art. Die PCR-Produkte wurden anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt (Abbildung 3).

3. Erklären Sie, welche Vorteile die Multiplex-PCR beim Nachweis von Arten bietet (Material C). Deuten Sie die Ergebnisse aus Abbildung 3 bezüglich des Artnachweises (Material C). [12 Punkte]

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