Aufgabe 3 - Teilaufgabe 4: Artnachweis mittels Mu… · Abitur NRW Biologie LK · Nachtermin · Weiterbildungskolleg 2023

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. Zebramuscheln leben im Süßwasser, sie tolerieren aber auch einen Salzgehalt von ein bis zwei Prozent. 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 in Tiefen von bis zu 80 Metern. In ihrem Ursprungsgebiet in Südosteuropa kommen Zebramuscheln und Quagga-Muscheln in gemischten Populationen vor. Quagga-Muscheln leben im Süßwasser, sie tolerieren einen Salzgehalt von bis zu einem Prozent. Ihr Nahrungsspektrum 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 an einer anderen Messstation 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: Haftung von Muscheln auf verschiedenen Oberflächen

Die adulten Zebramuscheln und Quagga-Muscheln sind als sesshafte Tiere mit Haftfäden fest an einem Untergrund verankert. Diese Haftfäden sind elastisch und können Strömungen und Wellenschlag standhalten. Der Durchfluss des Rheins erzeugt im Bodensee eine geringe messbare Strömung, die je nach Wassertiefe und Windverhältnissen zeitweise auch stärker sein kann. Auf Felsen haften Zebramuscheln und Quagga-Muscheln etwa gleich fest.

In Laborversuchen wurde die Anhaftungsstärke von Zebramuscheln und Quagga-Muscheln auf unterschiedlich glatten Oberflächen untersucht. Dazu wurden lebende Muscheln beider Dreissena -Arten auf die jeweilige Oberfläche gesetzt. Als Oberflächen wurden ein Kunststoff (PVC) und gehärtetes Silikonöl (PDMS) ausgewählt. PVC ist ein gängiger Kunststoff von Rohrleitungen. PDMS wird häufig als Antihaftbeschichtung für Schiffe verwendet, um Muschelbefall zu verhindern. Es wurde die Energie ermittelt, die zur Ablösung der Muscheln von der jeweiligen Oberfläche aufgewendet werden muss. Diese bezeichnet man als Adhäsionsenergie (Abbildung 3).

Material D: 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 sowie eine DNA-freie Probe mithilfe der Multiplex-PCR analysiert.

Die leere Probe enthält keine DNA, die nächsten drei Proben stammen von morphologisch eindeutig identifizierten Individuen: Zebramuschel, Quagga-Muschel sowie von einer einheimischen Kleinsten Erbsenmuschel. Die Proben A bis D stammen von jeweils einem Individuum unbekannter Art. Die PCR-Produkte wurden anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt (Abbildung 4).

4. Erklären Sie, welche Vorteile die Multiplex-PCR beim Nachweis von Arten bietet (Material D). Deuten Sie die Ergebnisse aus Abbildung 4 hinsichtlich des Artnachweises (Material D). [14 Punkte]

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