Projekt 31837/01

DNA-basierte Arten- und Herkunftsbestimmung für Holz und Holzprodukte der Weißeichen (Sektion Quercus)

Projektträger

Thünen-Institut für Forstgenetik
Sieker Landstr. 2
22927 Großhansdorf
Telefon: +49 4102 69 61 01

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Moderne DNA-basierte Methoden sind ein wichtiges Instrument im Kampf gegen den illegalen Holzhandel, von dem auch in den gemäßigten Breiten diverse Baumarten stark betroffen sind. Dazu zählt insbesondere das sehr wertvolle Holzsortiment der Weißeiche (Sektion Quercus). Die neue Gesetzeslage mit dem Inkrafttreten der EU-Holzhandelsverordnung im März 2013 und der hohe Marktanteil der Weißeichen sind Gründe für eine ständig steigende Nachfrage an eindeutigen Art- und Herkunftsnachweisen. Dieser Problematik soll in diesem Projekt mit der Entwicklung von molekularen Markern zur Identifizierung sowohl der Eichenarten als auch der geographischen Herkunft innerhalb einzelner Eichenarten begegnet werden. Insgesamt sollen folgende Ziele verfolgt werden:
(i) Entwicklung von Genmarkern zur Unterscheidung von Weißeichen-Arten und –herkünften, (ii) Aufbau von genetischen Referenzdaten zur Herkunftskontrolle ausgewählter Weißeichen-Arten, (iii) Technologie-Transfer, Gentests als Audits zur Absicherung von Handelsketten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurden sowohl Genmarker entwickelt, mit denen die Artzugehörigkeit von Holz innerhalb der Sektion Quercus ermittelt werden kann als auch Genmarker, die erste Hinweise zur Herkunft des Holzes liefern (Ostasien, Amerika oder Europa sowie Herkunftsidentifizierung innerhalb der Kontinente). Die Entwicklung der Marker basiert auf der Illumina MiSeq „Next Generation Sequencing“-Methode. Es wurden zwei Pools mit je 20 Individuen aus Q. robur bzw. Q. mongolica, ein Pool von fünf Q. petraea Individuen sowie ein Referenzindividuum von Q. mongolica mit dieser Methode sequenziert. Eine fast vollständig zusammengesetzte Chloroplastensequenz des Referenzindividuums wurde als Referenz zur Anordnung (Map-ping) der gewonnenen Sequenzen aus den Q. robur- bzw. Q. mongolica-Pools genutzt, um DNA Variationen (SNPs und InDels) in den jeweiligen Pools zu identifizieren. Des Weiteren wurden bereits SNPs und InDels im Mitochondriengenom identifiziert. Zusätzlich wurden Daten aus einer RAD-Sequenzierung von zwei verschiedenen Q. robur Individuen für die Identifizierung von ersten Kern-Variationen genutzt. Weitere Kernvariationen, die aus parallelen Mappings der Q. petraea- und der Q. robur-Pooldaten auf Kern-Referenzsequenzen gewonnen wurden, werden derzeit validiert. Eine große Anzahl an neu entwickelten Markern wurde über einen MassArray-Ansatz analysiert. Zuordnungen zu Arten oder Herkünften wurden statistisch abgesichert durch sog. „Self-Assignment-Tests“.
Zum Aufbau von genetischen Referenzdaten zur Herkunftskontrolle von ausgewählten Weißeichen-Arten wurden Referenzproben aus dem Verbreitungsgebiet der Stieleiche in Europa, der Mongolischen Eiche im Osten Russlands sowie der US-amerikanischen Eichenarten mit den entwickelten Markersets analysiert.


Ergebnisse und Diskussion

Es sind molekulare Marker aus dem Plastiden- und Mitochondriengenom zu einem Markerset zusammengefasst worden, um den kontinentalen Ursprung von Quercus-Arten aus den USA, Europa und Asien differenzieren zu können. Dieses Markerset ist umfangreich validiert und für die Anwendung auf Holzproben optimiert worden. Anhand einer MassArray Analyse mit einer großen Anzahl an Kern-Markern konnte eine weitere Auftrennung der Arten über Häufigkeitsverteilungen und Berechnung von Zuordnungs-Wahrscheinlichkeiten erreicht werden. Außerdem ist innerhalb von Europa eine Herkunftsbestimmung mittels eines Markersets aus einer Kombination von etablierten und neu entwickelten Markern möglich. Die Marker wurden mit Hilfe von leicht umzusetzenden und damit überall anwendbaren Methoden in die Praxis überführt und sind ebenfalls bereits für die Nutzung bei Holz und Holzprodukten optimiert. Populationen der mongolischen Eiche (Q. mongolica) lassen sich mit einem Set aus fünf plas-tidären und mitochondrialen Genmarkern großräumig (westliche, südliche und nördlich gelegene Populationen) unterscheiden. Die Variation innerhalb der mongolischen Eiche aus den Stichprobengebieten im Fernen Russland und Chinas ist deutlich geringer als in den europäischen oder amerikanischen Arten sowohl in den haploiden Genome (Chloroplasten und Mitochondrien) als auch im diploiden Kerngenom. Auf der Konzessionsebene können mit diesem Markerset Individuen den jeweiligen Populationen mit hoher Wahrscheinlichkeit zugeordnet werden. Die Kernvariationen aus den Q. petraea Pool-Daten werden zurzeit noch validiert, um Marker für die Differenzierung der europäischen Arten zu erhalten. Ein umfangreicher Flyer zur Information von potentiellen Kunden wird derzeit im Rahmen des Holz-Kompetenzzentrums erstellt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Besuche von Medienvertretern zur Herstellung von Fernsehbeiträgen
April 2015 ZDF zoom: Ikea, Höffner und Co. Woher kommen unsere Billigmöbel?
Dezember 2016 NDR, Schleswig-Holstein Magazin: Forscher arbeiten an weltgrößter Baumdatenbank
März 2017 Deutsche Welle: Germany’s wood detectives

Besuchte Veranstaltungen mit Posterbeiträgen oder Vorträgen zu dem Thema und zu den Arbeiten des Projekts
30.11. bis 02.12.2014: Treffen Global Timber Tracking Network Rom, Italien: Application of DNA fingerprints to control tree species and geographic origin of timber (Bernd Degen)
04.12.2014: Meeting of The British Timber Trade Federation London, UK: Application of DNA fingerprints to control tree species and geographic origin of timber (Bernd Degen)
10.12. bis 11.12.2014: Conference of The International Consortium on Combating Wildlife Crime (IC-CWC) Wien, Austria: Application of DNA fingerprints to control tree species and geographic origin of timber (Bernd Degen)
12.06.2015: Jahrestagung Gesamtverband Deutscher Holzhandel (GD-Holz) Düsseldorf: Genetische Holzarten- und Herkunftsbestimmung (Bernd Degen)
09.05. bis 11.05.2016: 4th Plant Genomics Congress London, UK: NGS-based development of molecular markers for determining continental origin of white oaks (Hilke Schroeder)
15.06. bis 16.06.2016: Tagung der Sektion Forstgenetik Chorin: Anwenderfreundliche DNA-Marker zur Herkunftsidentifizierung von Eichenholz (Hilke Schroeder)
21.06.2016: Deutsch-Chinesischer Workshop zur Holzforschung Hamburg: Application of DNA fingerprints to control tree species and geographic origin of timber (Bernd Degen)
15.12.2016: Plant genetics colloquium and forest genetics seminar Universität Göttingen: GeoAssign: A new genetic approach to assign individuals to species and populations (Bernd Degen)
08.06.2017: CITES workshop Bergedorf: Application of DNA fingerprints to control tree species and geographic origin of timber (Hilke Schroeder)


Fazit

Die im Projekt etablierten Markersets erlauben eine kontinentale Zuordnung von Weißeichen, eine Artdifferenzierung (für einige Arten), eine erweiterte Herkunftsbestimmung innerhalb Europas und – für die mongolische Eiche - sowohl eine großräumige Unterscheidung von Populationen als auch eine kleinräumige Zuordnung auf der Konzessionsebene. Alle entwickelten Markersets sind in umfangreichen MassArray Analysen validiert worden. Außerdem sind die Optimierung der Marker für Holz abgeschlossen und die Markersets in der Praxis bereits etabliert. Die im Projekt gestellten Aufgaben konnten damit sehr erfolgreich fertig gestellt werden.