Entwicklung von Verfahren zur Sequenzierung von Massenproben

 

Bisherige Arbeiten (2014 - 2017)

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Wolfgang J. Wägele

Jan Struwe

(Zool. Museum Alexander König, Bonn)

Prof. Dr. Wolfgang Weisser

(TU München)

Hintergrund

Es gibt in der Natur eine überwältigende Anzahl von Insektenarten, die sich nur annähernd schätzen lässt. Beispielsweise gibt es über 150.000 beschriebene Diptera Arten und über 350.000 beschriebene Coleoptera Arten und weitaus mehr, die noch nicht beschrieben wurden. Das Bundesamt für Naturschutz  führt eine Liste von über 33.000 Insektenarten in Deutschland, welche jedoch noch lange nicht vollständig ist. Die erforderliche Arbeitszeit, um alle Arten aus gesammelten Umweltproben von Experten bestimmten zu lassen wäre einfach unbezahlbar und darüber hinaus zu langwierig. Hinzu kommt, dass für viele der vorkommenden Taxa die Experten fehlen. Die Identifizierung bedarf einer Automatisierung, welche auf bestehendem Expertenwissen basiert und den Prozess beschleunigt.

Bis jetzt können immer nur ausgewählte Arten bei Untersuchungen berücksichtigt werden, einfach weil Zeitaufwand und Kosten sonst zu hoch wären. Da mit diesen traditionellen Methoden viel zu viel Information nicht erfasst wird, bedarf es neuer Technologien und umfassender Datenbanken, um sowohl mit bekannten, als auch unbekannten Arten zu arbeiten zu können und die Effizienz durch die gleichzeitige Auswertung vieler verschiedener Proben zu erhöhen. Artspezifische genetische Marker sind der Schlüssel, um dieses Ziel zu erreichen. Dieser Ansatz wird das zukünftige Biomonitoring erheblich verbessern.

 

Ziele

Die Ziele des DNA Barcoding Projekts sind:

  • Verkürzung der Zeit für die Identifizierung von Umweltproben
  • Erhöhung der Kosteneffizienz
  • Entwicklung eines Workflows für die Verarbeitung bekannter und unbekannter Arten
  • Identifizierung der Arten in allen Entwicklungsstadien


Aufgaben

Es werden zwei unterschiedliche Ansätze zur Analyse von Massenproben verfolgt werden, um deren Vor- und Nachteile zu vergleichen.

Einer dieser Ansätze basiert auf der PCR Amplifizierung, welche für die Bearbeitung von einzelnen Sequenzen bereits voll etabliert ist. In der Bearbeitung von Massenproben ergeben sich jedoch einige Probleme, die es zu erkennen und zu minimieren gilt. Artefakte wie Chimären oder auch Hybridsequenzen, die entstehen, müssen weitestgehend reduziert und die verbleibenden identifiziert werden.
Der zweite Ansatz setzt auf die Vermeidung solcher Hybridsequenzen. Beim Target Enrichment werden die Sequenzen nicht amplifiziert, sondern aus dem DNA-Gemisch herausgefiltert, bevor sie sequenziert werden. Dies gewährleistet, dass erst gar keine Artefakte enstehen.

Eine Diversitätsanalyse zweier unterschiedlicher Exploratorienhabitate soll dabei den Workflow testen. Um eine ausreichend hohe Anzahl von Proben in adäquater Qualität von DNA und Organismus für die Massensequenzierung zu bekommen, wurden neue, automatisierte Malaisefallen entwickelt, welche in den Untersuchungsbieten getestet werden. Sie kombinieren niedrige Wartungsintensität mit hoher Zuverlässigkeit. Ihr selbstständiges Design dient einer weiteren Verbesserung der Effizienz.

 

Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. Wolfgang J. Wägele und Jan Struwe: Barcodes

Weitere Projektbeteiligung von Prof. Dr. Wolfgang Weisser: Arthropods, BELongDead, 

Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. Wolfgang Weisser: Barcodes,  Boden (abiotic), MetacommuniTree

 

Bisherige Arbeiten (2011 - 2014)

Schnelle Erfassung der Biodiversität mit Hilfe von DNA Barcodes: Eine Fallstudie an Dipteren

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Wolfgang J. Wägele

Jan Struwe
(Zool. Forschungsmuseum Alexander König)

Prof. Dr. Wolfgang W. Weisser
(TU München)

Hypothesen

1. Es wird möglich sein, Veränderungen der Artenvielfalt exakt und effizient mit Hilfe von DNA-Barcodes festzustellen

2. Sequenzdaten tragen dazu bei, kryptische Arten und auch Bestimmungsfehler aufzudecken sowie Populationen zu charakterisieren

3. Die Zahl der Nahrungsgilden bei Dipteren und die Redundanz innerhalb der Gilden sind in naturbelassenen Wäldern höher als in bewirtschafteten Wäldern

4. Es gibt bei Dipteren einen Nord-Süd-Gradienten der Artenvielfalt Dipteren

 

Methoden

Sequenzierung des COI Gens von vorher bestimmten Arten, Vergleich des Trennvermögens der genetischen Marker mit der konventionellen Taxonomie, Aufbau einer Datenbank für Marker der Dipteren, dann Anwendung und Bestimmung der Arten über genetische Marker mit weitestgehender Automatisierung der Laborarbeit