Inmitten von kühlem Nebel und schwarzem Lavastein schneidet die Botanikerin Vicki Funk einen Stiel einer gelb blühenden hawaiianischen Pflanze namens 'ilima ( Sida fallax ) ab. „Wenn Lava in den Ozean gelangt, besiedelt dies neue Inseln“, erklärt sie.
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Funk, ein Forscher am Smithsonian National Museum of Natural History, ist jedoch weit von Hawaii entfernt. Stattdessen ist sie in einem Raum im Wintergarten mit Glaswänden des US Botanic Garden in Washington, DC. Nachdem Funk den Stiel schnell auf ein sauberes Blatt Papier geschlagen hat, fügt er ihn ihrer ziehharmonikaähnlichen Mappe mit gepressten Pflanzen hinzu. Jedes ist zwischen Papier und Pappe aufbewahrt, mit Holzlatten belegt und mit leuchtend orangefarbenen Bändern zusammengebunden. Währenddessen schneiden die Praktikanten der High School und des Colleges in ihrem Labor eine Gewebeprobe aus derselben Pflanze und stecken sie schnell in ein Reagenzglas, das in einem sprudelnden Kessel mit flüssigem Stickstoff aufbewahrt wird. Für 'ilima ist Geschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. „Die DNA wird fast sofort abgebaut“, erklärt Funk.
Am Mittwoch zogen Funk und ihr Trupp durch den Garten und nahmen auch Proben von anderen Pflanzen - unter anderem einem Kakaobaum, einer Schneeflockenaloe und einer Ameisenpflanze. Ihre Arbeit ist Teil der Global Genome Initiative (GGI) von Smithsonian, die diese Woche ein riesiges Sommergartenprojekt ins Leben gerufen hat.
Sida fallax oder 'ilima lebt in einem Vulkangestein-Habitat am Konservatorium des US Botanical Garden, weit entfernt von seiner Heimat in Hawaii. (Hilary-Morgan Watt, Smithsonian Institution) GGI wurde vor zwei Jahren auf den Markt gebracht und hat zum Ziel, die Hälfte der weltweiten Artenvielfalt in Lagerstätten auf der ganzen Welt zu erhalten. Zu diesem Zweck haben Forscher Pflanzen, Tiere und Insekten in Feldexpeditionen rund um den Globus beprobt und katalogisiert. "Betrachten Sie es als Naturschutzbiologie des 21. Jahrhunderts", sagt Jon Coddington, Entomologe im Museum, der das Projekt überwacht.
Für Pflanzen bedeutet das, die alte Schule mit neuen Schulsammeltechniken zu verschmelzen. Botaniker haben lange Zeit hölzerne Pflanzenpressen verwendet, um Blätter, Blüten und sogar Wurzeln in einer traditionellen Herbariumprobe zu dokumentieren. Jetzt können sie die genetischen Geheimnisse der Pflanze besser verstehen, indem sie Gewebeproben in Kieselgel suspendieren und in flüssigem Stickstoff einfrieren. Gepresste Proben werden getrocknet, um alle verirrten Insekten abzutöten, während Gewebeproben in riesigen Kryokammern im Museum Support Center der Institution in Suitland, Maryland, aufbewahrt werden.
Gepresste Herbariumproben können nur deshalb so viel über Pflanzen aussagen, weil ihre DNA mit der Zeit abnimmt. Die Erhaltung der Genetik einer Pflanze eröffnet eine Vielzahl von Forschungsmöglichkeiten, doch „der Zugang zu Material mit Genomqualität ist der einschränkendste Schritt in der Pflanzengenomik“, sagt Coddington. Der beste Weg, um DNA zu konservieren, besteht darin, sie in flüssigem Stickstoff einzufrieren und in Einrichtungen wie dem Tieftemperaturspeicher des Instituts aufzubewahren - einem der größten seiner Art.
Gewebeproben von Pflanzen des GGI Gardens-Projekts werden in riesigen, mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kryotanks gelagert. Diese Tiefkühlgeräte können bis zu 4 Millionen Proben aufnehmen. (Donald E. Hurlbert, Smithsonian) Die Forscher wissen viel über Pflanzen, die für den Menschen nützlich sind, aber es gibt massive Lücken im Stammbaum der Pflanzen. Die Sequenzierung einer Vielzahl von Pflanzengenomen kann diese Lücken füllen. Glücklicherweise ist die Technologie dafür in den letzten zehn Jahren viel billiger und schneller geworden. „Die Sequenzierung des menschlichen Genoms dauerte zehn Jahre. Jetzt könnten Sie das in ungefähr einer Stunde tun “, sagt John Kress, Botaniker im Museum und Unterstaatssekretär für Wissenschaft bei Smithsonian.
Derzeit haben Forscher Genomproben von etwa drei Prozent der Pflanzengattungen weltweit. Im Laufe des Sommers werden sich die Feldteams bemühen, die Hälfte der Pflanzenfamilien der Welt zu beproben, indem sie sich in Gärten und Parks in Washington, DC, versammeln. Als nächstes nehmen sie das Projekt mit auf den Weg zu anderen botanischen Gärten. In den nächsten zwei Jahren wollen die Wissenschaftler Proben von der Hälfte der Pflanzengattungen auf der Erde sammeln. "Von drei auf 50 Prozent zu steigen, ist ein großer Unterschied", sagt Coddington.
Die Sequenzierung so vieler Pflanzen würde jedoch eine Weile dauern. Derzeit möchte GGI die Proben nur auf Eis bringen. Zur einfachen Identifizierung erstellen sie einen DNA-Barcode für jede Probe, indem sie zwei Gene sequenzieren, die von einer Pflanze zur anderen variieren. Die Proben werden online in einer Datenbank aufbewahrt und stehen Pflanzenliebhabern und Forschern auf der ganzen Welt zur Verfügung. Derzeit kann diese Bibliothek dazu beitragen, Pflanzen auf der ganzen Welt zu identifizieren, und später können Wissenschaftler damit ganze Pflanzengenome sequenzieren und untersuchen.
Ein botanischer Garten mag wie ein ungewöhnlicher Feldstandort erscheinen. Typischerweise stellt man sich Botaniker vor, die durch Dschungel ziehen und Berggipfel erklimmen, um seltene und unentdeckte Pflanzen zu sammeln. Funk- und Botanik-Doktorand Morgan Gostel ist in die Anden gewandert, um Pflanzen zu sammeln. Manchmal lagerten sie bei Minusgraden und schleppten Flüssigstickstofftanks in die Berge. Diese Feldexpedition hält sie viel näher zu Hause, mit deutlich besserem Wetter und vielen angesagten Optionen für das Mittagessen im Lkw. „Die schmutzige Arbeit bei der Erstellung der Sammlung unterscheidet sich jedoch nicht von der Arbeit vor Ort“, bemerkt Gostel.
Sarah Gabler entnimmt eine Gewebeprobe aus einem Plymouth- Rosenenzian ( Sabatia kennedyuana Fernald ). Reagenzgläser werden in Folie eingewickelt und in einen tragbaren Flüssigstickstofftank fallen gelassen. (US Botanic Garden) 
Kristen Van Neste und Vicki Funk pressen ein rosa blühendes Enzianmuster aus Plymouth-Rosen. Die Pflanzen wurden für die saisonale Blüte ausgewählt. (US Botanic Garden) 
Funk und ihr Team jagen Pflanzen, um sie bei USBG zu probieren. (Helen Thompson) 
Vicky Funk schneidet eine Probe der seltenen Schneeflockenaloe ( Aloe Rauhii ), die in Madagaskar beheimatet ist. (Hilary-Morgan Watt, Smithsonian Institution) 
Eine Probe Schneeflockenaloe wartet darauf, in Funk 'Pflanzenpresse abgeflacht zu werden. Bei der Erstellung einer Presse versuchen die Forscher, so viele Pflanzenteile wie möglich von den Blüten bis zu den Wurzeln einzubeziehen. (Helen Thompson) 
Sarah Gabler und Vicki Funk werfen ein Reagenzglas mit einer Gewebeprobe aus einer Ameisenpflanze ( Hydnophytum formicarum ) in ihren Flüssigstickstoff-Feldtank. Winzige Ameisen bewohnen die Stängel dieser Pflanze. (US Botanic Garden) 
Pflanzenpfleger Bill McLaughlin vom US Botanic Garden hält eine Samenschote von einem Kakaobaum ( Theobroma cacao ) hoch, eine von mehreren Pflanzen, die bei der Demonstration am Mittwoch gesammelt wurden. Einige für die menschliche Landwirtschaft nützliche Pflanzengenome wie Kakao wurden bereits sequenziert. (James Di Loreto, Smithsonian Institution) 
Die Praktikanten (von links nach rechts) Sarah Gabler, Asia Hill und Kristen Van Neste sehen zu, wie Vicki Funk (ganz rechts) ihre Pflanzenpresse spannt, um eine Probe einer Moorpflanze namens Plymouth- Rosenenzian ( Sabatia kennedyuana Fernald ) im US Botanic Garden aufzubewahren am 8. Juli 2015. Das Team machte sich auch Notizen und Bilder, um die gepressten und gefrorenen Proben, die sie sammelten, zu verwerten. (James Di Loreto, Smithsonian Institution) 
Sarah Gabler, Kristen Van Neste, Vicki Funk, Asia Hill und Morgan Gostel machen eine Pause von Pflanzenproben und posieren für ein Gruppenfoto vor dem Konservatorium des US Botanic Garden. (James Di Loreto, Smithsonian Institution) Warum also der unorthodoxe Veranstaltungsort? Als lebende Pflanzenmuseen sind Gärten ein idealer Ort, um diese Lücken mit gut dokumentierten Proben zu füllen, die für die Genomsequenzierung vorbereitet wurden. „Botanische Gärten haben in einigen Fällen schon seit Jahrhunderten Sammlungen wie diese zusammengetragen, die bis in die Renaissance zurückreichen“, sagt der Direktor des Gartens, Ari Novy. Gärten dienen auch als Dachorganisationen für Gruppen, die an der Entdeckung von Arten beteiligt sind. Einige beherbergen auch Samenbanken und sind auf bestimmte Pflanzentypen spezialisiert.
Die Forscher können alles Mögliche aus Samen- und Gewebeproben lernen, von der Identifizierung invasiver Arten bis hin zur Beantwortung großer Fragen zur Pflanzenentwicklung. "Es ist grenzenlos", bemerkt Félix Forest, ein Evolutionsbiologe für Pflanzen in den Kew Royal Botanical Gardens in Großbritannien. Kew arbeitet an einem ähnlichen Projekt, um genetische Proben von 25 Prozent der Wildpflanzen bis 2020 zu erhalten.
GGI und Kew sind Teil einer größeren Bewegung zur Erhaltung der Pflanzenvielfalt in Biorepositorien wie der Kryo-Anlage von Smithsonian und dem Antarktischen Saatgutgewölbe von Svalbard. Sie haben sich mit ähnlichen Organisationen zusammengetan, um das Global Genome Biodiversity Network (GGBN) zu bilden.
Wozu die Eile? "Idealerweise möchten Sie ein lebendes Exemplar aufbewahren, aber das wird immer weniger machbar", sagt Coddington. Im vergangenen Monat schlugen die Forscher vor, dass sich die Erde bereits mitten in ihrem sechsten Massensterben befindet. Angesichts der Zerstörung des Lebensraums und einer Vielzahl von Bedrohungen durch den Klimawandel möchten die Wissenschaftler einige Proben aufbewahren, solange dies noch möglich ist. "Das hat eine gewisse Dringlichkeit", fügt Kress hinzu.
Der Erhalt dieser Genome kann uns in Zukunft helfen, daraus zu lernen. Forest ist sich einig: „Wenn wir diese genetische Vielfalt auf irgendeine Weise erhalten, können wir in 20 Jahren darauf zurückgreifen.“ Zusätzlich zum Lernen aus der Pflanzen-DNA könnten Forscher sogar ausgestorbene Pflanzen wiederbeleben. Die Idee, eine Spezies aus dem Tod zurückzubringen, ist natürlich umstritten, aber lassen Sie uns nicht über uns hinauskommen. Forest warnt: „Dies ist noch kein Jurassic Park. Aber die Technologie schreitet so schnell voran, dass wer weiß, was wir in 20 Jahren mit einer DNA-Röhre anfangen können. “
