Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Zur Eind\u00e4mmung des illegalen Holzeinschlages wird sowohl in den USA (FLEGT, Zertifizierungssysteme, Lacey Act) als auch in Europa (EU-Holzhandelsverordnung) seit einigen Jahren vom Gesetzgeber eine genaue Kennzeichnung von importiertem Holz vorgeschrieben. Dazu geh\u00f6rt u. a. die genaue Deklaration der botanischen Art und der geographischen Herkunft des Holzes. Hierf\u00fcr sind DNA-basierte Nachweismethoden bestens geeignet. F\u00fcr eine ganze Reihe an gehandelten Baumarten stand die Entwicklung von geeigneten genetischen Markern jedoch noch aus. Insbesondere in Holzverbundprodukten stellt die Markerentwicklung eine gro\u00dfe Herausforderung dar, da hier eine Mischung diverser Gattungen und Arten zur Herstellung verwendet werden kann. Holzanatomische Methoden sind in diesem Fall nur begrenzt erfolgreich. Daher war das Ziel dieses Projektes die Entwicklung genetischer Markersysteme zur gleichzeitigen Erkennung von Laub- und Nadelbaumgattungen, die in Holzverbundprodukten am h\u00e4ufigsten eingesetzt werden. Zus\u00e4tzlich sollten innerhalb der Gattung Pinus die Differenzierung auf Artebene f\u00fcr die wichtigsten gehandelten Arten erfolgen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Erreichung der Zielsetzung wurden die folgenden Arbeitsschritte durchgef\u00fchrt:
\n\u0095 Optimierung von Protokollen zur DNA-Extraktion aus Holzverbundplatten
\n\u0095 Sequenzierung von relevanten Laub- und Nadelbaumarten mittels \u0084Next Generation Sequencing\u0093, bioinformatische Datenanalysen und Selektion von SNPs und InDels, die eine potentielle Differenzierung auf verschiedenen taxonomischen Ebenen erm\u00f6glichen
\n\u0095 Validierung selektierter SNPs und InDels in erweiterten Sets von Individuen
\n\u0095 Umsetzung der DNA-Barcodes in ein genetisches Markerset und Validierung an Holzverbund-produkten
\n\u0095 Testung der praktischen Nutzbarkeit der Gattungs- und Artmarker bei der unabh\u00e4ngigen Pr\u00fcfung von Artdeklarationen von Holzverbundprodukten in Zusammenarbeit mit GD Holz <\/p>\n
Im Projekt wurden – wie urspr\u00fcnglich geplant – die Nadelbaumgattungen Pinus, Picea, Pseudotsuga und zus\u00e4tzlich Abies, Tsuga, Cedrus und Larix sowie die Laubbaumgattungen Betula, Eucalyptus, Populus, Fagus, Shorea und auch hier zus\u00e4tzlich Quercus\/Castanea und Fraxinus bearbeitet. Von Arten dieser Gattungen (au\u00dfer Populus) sowie anderen Gattungen der bearbeiteten Familien und Ordnungen wurde Blatt\/Nadel- bzw. Holzmaterial von verschiedenen Quellen beschafft und die jeweilige DNA extrahiert. Es wurden von uns mitentwickelte DNA-Extraktionsprotokolle f\u00fcr Holz validiert, um DNA aus stark verarbeiteten Holzgemischen zu gewinnen. Es konnte bei der Verwendung von Gemischen aus Laub- und Nadelholz gezeigt werden, dass Chloroplastenmarker deutlich besser als mitochondriale Marker zur Identifizierung der enthaltenen Laub- und Nadelh\u00f6lzer geeignet sind. Die experimentell beobachtete Tendenz, dass Laubbaum-DNA im Gemisch besser in der PCR amplifiziert wird als Nadelbaum-DNA, insbesondere bei der Verwendung mitochondrialer Marker, konnte mit bioinformatischen Ergebnissen zum Vergleich der zellul\u00e4ren Kopienzahlen von nukle\u00e4ren, mitochondrialen und Chloroplastengenomen sowie Genomgr\u00f6\u00dfenvergleichen zwischen einigen Nadel- und Laubbaumarten untermauert werden.
\nAls Grundlage f\u00fcr die Markerentwicklung wurden sowohl \u00f6ffentliche Daten als auch neugenerierte NGS-Daten verschiedener Laub- und Nadelbaumarten genutzt. Wichtige Ergebnisse der bioinformatischen Analysen dieser Daten waren die Assemblierung und Annotierung neuer Chloroplasten- und\/oder mitochondrialer Referenzgenome, u. a. von Fagus sylvatica und Pinus cembra. Diese Genome waren u. a. eine Grundlage f\u00fcr die weitere bioinformatische Auswahl von Taxon-spezifischen SNPs und InDels f\u00fcr die genetische Markerentwicklung. Im Projekt konnten f\u00fcr alle im Antrag geplanten Gattungen sowie die beiden Subgattungen von Pinus, vier Sektionen, drei Subsektionen und zahlreiche Arten innerhalb von Pinus genetische Marker entwickelt und erfolgreich validiert werden. \u00dcber die urspr\u00fcnglichen Gattungen des Interesses hinaus, konnten auch f\u00fcr einige andere Gattungen und weitere Arten Marker entwickelt werden. Zur zus\u00e4tzlichen Absicherung der Gattungs- und Artidentifizierung auf h\u00f6heren taxonomischen Ebenen wurden zus\u00e4tzlicher Marker entwickelt, die spezifisch f\u00fcr diese Ebenen sind und zum Teil bereits in Markersets eingeflossen sind. Neben einem validierten Multiplex-Markerset, das eine gleichzeitige Erkennung vieler Gattungen innerhalb der Ordnung der Fagales erlaubt, befinden sich weitere Multiplex-Sets f\u00fcr Ordnungen sowie f\u00fcr Familien und Gattungen innerhalb der Coniferales in der Optimierungsphase. Im gemeinsamen Praxistest mit dem Kooperationspartner GD-Holz konnten die meisten der Deklarationen mit den im Projekt entwickelten genetischen Markertests f\u00fcr die untersuchten Sperrh\u00f6lzer best\u00e4tigt werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Publikationen:<\/p>\n
Akhmetzyanov L, Copini P, Sass-Klaassen U, Schroeder H, et al. (2020) DNA of centuries-old timber can reveal its origin. Scientific Reports 10:20316. doi: 10.1038\/s41598-020-77387-2<\/p>\n
Braga WB, Deklerck V, Espinoza E, Groening M, Koch G, Monteiro Pastore TC, Ramananantoandro T, Schr\u00f6der H, et al. (2020) Scientific methods for taxonomic and origin identification of timber [online]. GTTN (Global Timber Tracking Network), 6 p. doi:10.13140\/RG.2.2.28416.46087<\/p>\n
Bruegmann T, Fladung M, Schroeder H (2022) Flexible DNA isolation procedure for different tree speies as a convenient lab routine. Silvae Genetica 71: 20-30. doi: 10.2478\/sg-2022-0003<\/p>\n
B\u00fcnger K (2021) Validierung und Anwendung molekularer Marker zur Holzarten-Identifizierung in Holz-verbundprodukten. Bachelorarbeit (am TI-FG im Rahmen von Holz-DNA-Barcoding; 23.02.2021)<\/p>\n
Degen B, Blanc-Jolivet C, Bakhtina S, Yanbaev R, Yanbaev Y, Mader M, N\u00fcrnberg S, Schroeder H (2021) Applying targeted genotyping by sequencing with a new set of nuclear and plastid SNP and Indel loci for Quercus robur and Quercus petraea. Conservation Genetics Resources 13: 345-347. doi: 10.1007\/s12686-021-01207-6 <\/p>\n
Kersten B, Rellstab C, Schroeder H, Fladung M, Krutovsky K, Gugerli F (2022) The mitochondrial ge-nome sequence of Abies alba Mill. reveals a high structural and combinatorial variation. BMC Ge-nomics 23:776. doi: 10.1186\/s12864-022-08993-9<\/p>\n
Kersten B, Rellstab C, Gugerli F (2022) Abies alba isolate AA_WSL01 mitochondrion, scaffold se-quences: NCBI, accession numbers ON378818- ON378828 <\/p>\n
Kersten B, Schott T, Mader M (2020) Fagus sylvatica isolate FASYL_29_1 mitochondrion, complete genome: NCBI, accession MT446430 <\/p>\n
Mader M, Schroeder H, Schott T, Sch\u00f6ning-Stierand K, Leite Montalv\u00e3o AP, Liesebach H, Liesebach M, Fussi B, Kersten B (2020) Mitochondrial genome of Fagus sylvatica L. as a source for taxo-nomic marker development in the Fagales. Plants 9(10), 1274. doi: 10.3390\/plants9101274 <\/p>\n
Mader M, Kersten B (2020) Mitochondrial genome of Fagus sylvatica L. as a source for taxonomic marker development in the Fagales: NCBI SRA, accession PRJNA648273<\/p>\n
Mader M, Liesebach H, Liesebach M, Kersten B (2019) The complete chloroplast genome of Fagus sylvatica L. (Fagaceae). Mitochondrial DNA Part B 4(1): 1818-19. doi: 0.1080\/23802359.2019.1612712 <\/p>\n
Schmitz N, Beeckman H, Cabezas JA, Cervera MT, Espinoza E, Fernandez-Golfin J, Gasson P, Her-manson JC, Arteaga MJ, Koch G, Lens F, Martinez-Jarquin S, Paredes-Villanueva K, Pastore TCM, Ramananantoandro T, Schraml R, Schr\u00f6der H, et al. (2019) The Timber Tracking Tool In-fogram: overview of wood identification methods\u00b4 capacity. GTTN, 5 p. doi: 10.13140\/RG.2.2.27920.25603<\/p>\n
Schoening-Stierand K, Schroeder H, Degen B, Kersten B (2019) Identification of tree species in wood composite products by DNA barcoding. Genome 62 (6): 431-432. doi: 10.1139\/gen-2019-0083<\/p>\n
Schott T, Schroeder H, Sch\u00f6ning-Stierand K, Kersten B (2019) The complete chloroplast genome sequence of Pinus cembra L. (Pinaceae). Mitochondrial DNA Part B 4 (2): 4202-4203. doi: 10.1080\/23802359.2019.1693297<\/p>\n
Schroeder H, Kersten B (2023) A small set of nuclear markers for reliable differentiation of the two closely related oak species Quercus robur and Q. petraea. Manuscript in preparation<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit:
\n\u0095 Fernsehbericht zum Thema \u0084Holz\u0093 am 28. November 2018, WDR, Planet Wissen; https:\/\/www.planet-wissen.de\/sendungen\/sendung-holz-108.html; mit Beteiligung des Th\u00fcnen-Instituts f\u00fcr Forstgenetik, Holzherkunftsidentifizierung
\n\u0095 Besuch der Firma \u0084Formafantasma\u0093 am 19.09.2019 f\u00fcr Filmaufnahmen\/Interviews \u00fcber das Holzkompetenzzentrum f\u00fcr eine Ausstellung der Firma in London (geplant 04. M\u00e4rz bis 17. Mai 2020), die Corona-bedingt leider abgesagt wurde.
\n\u0095 Stand in der BMEL-Halle zum Kompetenzzentrum Holzherk\u00fcnfte auf der Internationalen Gr\u00fcnen Wo-che, 17.01. bis 26.01.2020, in Berlin.
\n\u0095 Am 17. Juli 2021 wurde der nachfolgende Artikel online ver\u00f6ffentlicht, der \u00fcber die Arbeit des Th\u00fcnen-Kompetenzzentrums Holzherk\u00fcnfte berichtet: \u0084Germany\u0092s timber detectives take on illegal loggers\u0093 https:\/\/atlasofthefuture.org\/project\/centre-of-competence-on-the-origin-of-timber\/
\n\u0095 Am 10. M\u00e4rz 2022 wurde der Artikel “The \u0091timber detectives\u0092 on the front lines of illegal wood trade – Germany\u0092s Center of Competence on the Origin of Timber tracks down which EU wood imports come from illegal sources in the world\u0092s third-biggest criminal sector” in National Geographic ver\u00f6ffentlicht: https:\/\/www.nationalgeographic.com\/environment\/article\/the-timber-detectives-on-the-front-lines-of-illegal-wood-trade<\/p>\n
Pr\u00e4sentationen:<\/p>\n
15.03.2018 Au\u00dfenhandelstag des GD Holz, Bremen, Deutschland – Hilke Schr\u00f6der, Birgit Kersten, Bernd Degen: Entwicklung genetischer Marker zur Gattungs- und Arterkennung in Holzverbundprodukten mittels Next Generation DNA-Barcoding (Vortrag)<\/p>\n
24.04. bis 26.04.2018 Deutsche Baumpflegetage, Augsburg, Deutschland – Hilke Schr\u00f6der, Bernd Degen: Einsatz molekularer Marker zur Art- und Herkunftsbestimmung von B\u00e4umen und Holz (Poster)<\/p>\n
29.07.2018 Jahrestreffen der Deutschen Dendrologischen Gesellschaft, Ahrensburg, Deutschland – Bernd Degen:\tGenetische Identifizierung von Baumart und Baumherkunft (Vortrag)<\/p>\n
08.10. bis 09.10.2018 Holzhandel und Walderhaltung \u0096 f\u00fcnf Jahre Erfahrungen mit der EU-Holzhandelsverordnung und dem Th\u00fcnen-Kompetenzzentrum Holzherk\u00fcnfte\tHamburg, Deutschland – Hilke Schr\u00f6der, C\u00e9line Blanc-Jolivet, Bernd Degen: Anwendung genetischer Methoden zur Bestimmung von Holzart und -herkunft (Vortrag)<\/p>\n
21.01. bis 22.01.2019 \u0084A Bed of Roses \u0096 Royal or Revival\u0093 Symposium, London, Gro\u00dfbritannien – Hilke Schr\u00f6der: The Bed of Roses \u0096 DNA analysis (Vortrag)<\/p>\n
23.05.2019 Besuchergruppe \u0093Rantzau-Haus\u0094, Ahrensburg\tGro\u00dfhansdorf, Deutschland – Hilke Schr\u00f6der, Bernd Degen: Anwendung genetischer Methoden zur Bestimmung von Holzart und \u0096herkunft (Vortrag)<\/p>\n
17.06. bis 20.06.2019 Barcode of Life conference, Trondheim, Norwegen – Hilke Schr\u00f6der, Katrin Sch\u00f6ning-Stierand, Bernd Degen, Birgit Kersten: Identification of tree species in wood composite products (\u0093Lightning talk\u0094 und Poster)<\/p>\n
06.02.2020 Besuch Oberstufen-Sch\u00fclergruppe aus Hamburg-Niendorf, Gro\u00dfhansdorf, Deutschland – Hilke Schr\u00f6der, Bernd Degen: Anwendung genetischer Methoden zur Bestimmung von Holzart und \u0096herkunft (Vortrag)<\/p>\n
13.09. bis 16.09.2021 Forstwissenschaftliche Tagung 2021, digital – Hilke Schr\u00f6der, Birgit Kersten, Bernd Degen: genetische Marker zur Gattungs- und Arterkennung in Holzverbundprodukten (Vortrag)<\/p>\n
03.12.2021 Workshop des \u0084Th\u00fcnen-Kompetenzzentrum Holzherk\u00fcnfte\u0093, digital – Hilke Schr\u00f6der, C\u00e9line Blanc-Jolivet, Bernd Degen: Entwicklung genetischer Methoden zur Bestimmung von Holzart und -herkunft (Vortrag)<\/p>\n
09.03.2022 Th\u00fcnen Themenfeldgespr\u00e4ch \u0084Buche\u0093, digital – Hilke Schr\u00f6der: Th\u00fcnen-Kompetenzzentrum Holzherk\u00fcnfte \u0096 Pr\u00fcfauftr\u00e4ge bei der Buche (Vortrag)<\/p>\n
06.04.2022 Besuch Oberstufen-Sch\u00fclergruppe aus Hamburg-Nienstedten, Gro\u00dfhansdorf, Deutschland – Hilke Schr\u00f6der: Anwendung genetischer Methoden zur Bestimmung von Holzart und \u0096herkunft (Vortrag)<\/p>\n
19.04. bis 21.04.2022 \u0093From Forests to Heritage\u0094 Conference, Amsterdam, Niederlande – Hilke Schr\u00f6der: Genetic analysis of \u0084The Bed of Roses\u0094 (Vortrag)<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die im Projekt erfolgreich entwickelten und validierten Marker und Multiplex-Markersets erlauben eine effiziente genetische Erkennung vieler Gattungen und Arten von H\u00f6lzern, die in Holzverbundprodukten am h\u00e4ufigsten eingesetzt werden und flie\u00dfen direkt in die praktische Anwendung im Rahmen des Th\u00fcnen-Kompetenzzentrum Holzherk\u00fcnfte ein. Wichtige Beitr\u00e4ge f\u00fcr die Praxis sind dabei auch die optimierten Protokolle zur DNA-Extraktion und die gewonnen Ergebnisse zur Eignung verschiedener Markertypen f\u00fcr Mischh\u00f6lzer aus Nadel und Laub. Die mittels NGS und bioinformatischer Auswertung gewonnenen neuen Chloroplasten und mitochondrialen Referenzgenome, z.B. von Fagus sylvatica bieten eine gute Grundlage f\u00fcr die Entwicklung weiterer genetischer Marker, deren Validierung durch die im Projekt gesammelten Referenzproben unterst\u00fctzt wird. Au\u00dferdem k\u00f6nnen diese Referenzgenome in zuk\u00fcnftigen Studien f\u00fcr andere wissenschaftliche Fragestellungen verwendet werden. Das im Projekt generierte Wissen zu Taxon-spezifischen DNA-Varianten k\u00f6nnte auch in potentielle zuk\u00fcnftige Ans\u00e4tze zum Metabarcoding einflie\u00dfen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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