Expertise
Mit genetischen Methoden der Holzart und -herkunft auf der Spur
Hilke Schröder und Céline Blanc-Jolivet | 07.09.2022
Wenn es darum geht, anatomisch ähnliche Holzarten zu unterscheiden oder Aussagen zur Herkunft bestimmter Hölzer zu treffen, sind genetische Untersuchungen Mittel der Wahl. Nötig dafür sind Referenzproben von Hölzern, deren Art und Herkunft zweifelsfrei geklärt ist.
Ab März 2013 müssen Unternehmen, die Holz oder Holzprodukte in die EU einführen, sicherstellen, dass die Produkte richtig deklariert sind, nicht von geschützten Arten und nicht aus illegaler Abholzung stammen. Das sieht die Europäische Holzhandelsverordnung (EUTR) vor. Unter anderem müssen die Unternehmen Informationen über das Herkunftsland der Holzprodukte bereitstellen. Aber kann man den Rückverfolgungsdokumenten trauen? Forschende des Thünen-Instituts kontrollieren mit genetischen Methoden regelmäßig Holzprodukte und stellen fest, dass in rund 20 % der Fälle die angegebene Herkunftsregion falsch ist.
Um für die genetischen Untersuchungen passendes Vergleichsmaterial zu haben, wurde frisches Material von mehr als 50.000 Bäumen aus aller Welt gesammelt und im Labor analysiert.
Eine lange und sorgfältige Arbeit
Die Entwicklung von Referenzdaten ist das Ergebnis zahlreicher internationaler Kooperationen mit wissenschaftlichen Arbeitsgruppen aus holzerzeugenden Ländern. Geschultes Personal, das in der Lage ist, die jeweiligen Holzarten zu identifizieren, besucht die natürlichen Wälder mit einem GPS und Werkzeug zur Probenahme, um Frischproben zu sammeln und sie zu georeferenzieren. Getrocknetes Gewebematerial oder in einigen Fällen auch DNA werden an die jeweiligen Labore geliefert, in denen die genetischen Analysen durchgeführt werden.
Wie in der menschlichen Forensik, kann durch die DNA-Analyse ein einzelner Baum identifiziert werden. Moderne Sequenzierungstechnologien bieten leistungsstarke Instrumente zur Charakterisierung der genetischen Muster von Holzarten. Die riesige Menge an Informationen aus Sequenzierungsdaten kann so analysiert werden, dass für jede Holzart nur eine Handvoll molekularer Marker nötig ist, um ihr geografisches genetisches Muster zu charakterisieren. Auf diese Weise werden genetische Karten für jede Holzart, die von Interesse ist, erstellt.
Thünen-Institut in internationalen Netzwerken aktiv
Das Thünen-Institut für Forstgenetik gehört zu den weltweit führenden Einrichtungen in der genetischen Holzbestimmung und ist in spezialisierten Netzwerken aktiv. Der Austausch von Fachwissen und die Identifizierung der wichtigsten Arten und geographischen Regionen, die für illegalen Holzeinschlag und Holzhandel anfällig sind, sind der Schlüssel für eine gezielte Entwicklung von Identifizierungsmethoden. Der Aufbau von Referenzdaten ist eine langfristige Aufgabe, bei der der Stand des Holzhandels und der Umweltkriminalität berücksichtigt werden muss. Die Datenbank des Thünen-Instituts für Forstgenetik umfasst mittlerweile über 54.000 individuelle Proben von 235 Baumarten aus 70 Gattungen. Hierzu hat maßgeblich die internationale Vernetzung des Instituts mit Forschungsinstituten insbesondere in Europa, Afrika und Südamerika beigetragen, ebenso die Beteiligung am Global Timber Tracking Network (GTTN).
Eichenholz von Buchenholz zu unterscheiden, ist mit Lupe und Mikroskop zuverlässig und auch relativ einfach möglich. Das Holz der verschiedenen Eichenarten, die es auf der Welt gibt, ähnelt sich aber sehr. Das wird im internationalen Handel zum Problem, denn es gibt seltene Arten, die unter Schutz stehen, andere Arten hingegen werden im großen Stil gehandelt. So hat die mongolische Eiche (Quercus mongolica) einen CITES-Schutzstatus, weil sie wertvolle Ökosysteme bildet. Aber auch nicht geschützte Arten wie die Stieleiche (Quercus robur) dürfen nur reguliert eingeschlagen werden, weil sie z.B. in Europa einen Bestandteil sehr alter Naturwälder darstellt.
Bleiben wir beim Beispiel der Eichen: Die Gattung Quercus (Eichen) wird in mehrere Sektionen eingeteilt, von denen vor allem einige der „Weißeichen“ ökonomisch relevant sind. Es gibt etwa 200 Weißeichenarten, von denen aber nur wenige eine größere wirtschaftliche Bedeutung haben. Darunter sind sechs in Amerika beheimate Eichenarten, zwei europäische und die mongolische Eiche als Vertreter der asiatischen Weißeichen.
Um die Eichenarten und ihre Herkunft zu unterscheiden, arbeiten wir am Thünen-Institut mit verschiedenen selbst entwickelten genetischen Marker-Sets. Zunächst wird immer ein Marker-Set verwendet, um den kontinentalen Ursprung zu ermitteln. Handelt es sich um europäische Eichen, dann werden weitere Sets zur Artidentifizierung und/oder zur Herkunft innerhalb Europas eingesetzt. Am Thünen-Institut haben wir ebenfalls ein Marker-Set entwickelt, um für die mongolische Eiche die Herkunft im Fernen Osten Russlands und zum Teil in China identifizieren zu können. Voraussetzung für diese Arbeiten war, dass Referenzproben aus den jeweiligen Herkunftsregionen vorlagen.
Neben Informationen zur Artbestimmung können auch Angaben zur konkreten Herkunft von Bedeutung sein. Das ist der Fall, wenn Bäume in bestimmten Regionen oder Ländern eingeschlagen werden dürfen, in anderen Ländern aber unter Schutz stehen. Ein Beispiel ist das Echte Mahagoni (Swietenia macrophylla), ein wertvolles Edelholz, das in mittel- und südamerikanischen Naturwäldern vorkommt. Die Baumart unterliegt dem Washingtoner Artenschutzabkommen (CITES) und darf aktuell nicht aus Bolivien und Belize in die EU eingeführt werden. Ein Import aus Mexiko und Guatemala ist hingegen mit entsprechenden Dokumenten erlaubt, weil dort noch eine nachhaltige Bewirtschaftung möglich ist.
Auch hier ist die Genetik die Methode der Wahl, um die Herkunft zu klären. Selbst wenn es sich um dieselbe Art handelt, haben sich bei den einzelnen Herkünften genetische Unterschiede herausgebildet, da ein Austausch zwischen den Populationen aufgrund der Entfernung praktisch nicht stattfindet. Nötig sind aber auch hier Referenzproben aus den jeweiligen Regionen, um in der Holz-DNA molekulare Marker zu finden, die für die Regionen typisch sind.
Holz ist totes Gewebe; seine DNA unterliegt einem ständigen Abbauprozess – sie degradiert. Schon die DNA in frisch gefällten Bäumen ist bereits degradiert, jedoch weniger als in älterem oder behandeltem Holz. Insbesondere große Hitze und einige Chemikalien wirken stark DNA-zersetzend. Das bedeutet, dass aus Holz und Holzprodukten nur geringe DNA-Mengen extrahiert werden können – häufig auch nur in schlechter Qualität. Durch unsere permanente Methoden-Weiterentwicklung sind wir dennoch in der Lage, DNA aus so stark verarbeiteten Materialien wie Sperrholz, Spanplatten, Parkett, Furnier oder auch Holzpellets zu extrahieren und zu analysieren.
Molekulare Marker – der Schlüssel zum Erfolg
Die Genome von Pflanzen und Tieren unterliegen einer ständigen Veränderung. Das führt dazu, dass sich die DNA verschiedener Arten an einigen Stellen unterscheidet. Auch innerhalb einer einzelnen Art gibt es Unterschiede in der DNA, je nachdem woher die Individuen stammen.
Es gibt zwei wesentliche Variations-Möglichkeiten der DNA, die zur Entwicklung von molekularen Markern verwendet werden: Der Einzelnukleotid-Austausch (Single Nucleotide Polymorphism: SNP) und Längenunterschiede der DNA-Sequenz (Insertionen bzw. Deletionen: InDel).
Wir bedienen uns dieser natürlich vorkommenden Sequenzunterschiede zwischen Arten und auch zwischen Individuen und suchen gezielt nach diesen Variationen im Genom. Diese eindeutig identifizierbaren, kurzen DNA-Abschnitte, deren Position im Genom wir über bioinformatische Analysen ermitteln, dienen dann als molekulare Marker.
Für Interessenten, die eine genetische Holzuntersuchung in Auftrag geben möchten, gibt es auf der Seite des Thünen-Kompetenzzentrums Holzherkünfte nähere Infos zu den Voraussetzungen für die Untersuchung und zu den Gebühren.
