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"Faule Eier" bei genetischen Fingerabdrücken von Arten!? Neues Bioinformatikwerkzeug detektiert inkorrekte Datensätze in rasantem Tempo

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06.06.2017
(Bonn, 06.06.2017) Das von einem deutschen Wissenschaftlerteam unter der Federführung des zoologischen Forschungsmuseums Alexander Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere (ZFMK) in Bonn neu entwickelte Binoinformatikwerkzeug TaxCI deckt in rasanter Geschwindigkeit Fehlerquellen auf, die bei der Validierung von DNA-Barcodes entdeckt werden. Nun können potentielle Mängel, die zum Beispiel durch eine fehlerhafte Artbestimmung oder durch eine Verunreinigung einer Probe entstanden sind, in den riesigen Barcode-Datensätzen schnell und sicher detektiert werden – und zwar noch bevor die Barcodes in die großen, weltweit von Forscherinnen und Forschern genutzten Datenbanken BOLD und GenBank eingetragen werden. Von dem neuen Tool profitieren neben den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die Arten erfassen, auch die Kriminalistik, Medizin oder Schädlingsbekämpfung. Veröffentlicht wurde die Arbeit, die das Werkzeug namens ‚TaxCI‘ vorstellt, jetzt in der renommierten Zeitschrift Methods in Ecology and Evolution.

Das Tool kann kostenfrei genutzt werden. Exemplarisch wurde das Werkzeug für die Überprüfung aller vorliegenden Käferarten (knapp 30000 Sequenzen) aus Deutschland angewendet, prinzipiell ist es aber auch für alle Tiergruppen in sämtlichen Regionen der Erde geeignet.

Seit 2011 arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen mit ehrenamtlichen Spezialistinnen und Spezialisten am Aufbau einer DNA-Barcode-Datenbank der biologischen Artenvielfalt Deutschlands, einer Referenzbibliothek genetischer Fingerabdrücke für jede existierende Art. Organisiert sind diese Fachleute unter der Federführung ZFMK in einem Forschungsverbund‚ dem ‘German Barcode of Life‘ (GBOL), welcher vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird.

Einen Großteil der Vielfalt bei den Tieren machen die Käfer (Coleoptera) aus. Von den in Deutschland vorkommenden 48000 Tierarten ist diese Insektengruppe mit über 6700 Arten vertreten. Gemeinsam mit über 30 Käferspezialisten, welche als sogenannte Taxonomen (Artenkenner) genau wissen, wo sie wann welche Art finden und wie man sie bestimmen kann, wurden so am ZFMK in den letzten drei Jahren DNA-Barcodes von 13516 Käfern aus 2846 verschiedenen Arten erstellt.

Mithilfe dieser genetischen Fingerabdrücke, die inzwischen mehr als 13000 DNA-Sequenzen umfassen, können die Arten nun auch anhand  winziger DNA-Spuren nachgewiesen werden und müssen nicht mehr als ausgewachsene Käfer bestimmt werden.  Kleine Mengen DNA hinterlassen zum Beispiel Schwimmkäfer im Wasser oder Holzschädlinge in ihren Fraßspuren oder dem Holzmehl, das sie bei der Nahrungsaufnahme produzieren. Aber auch bisher nicht bestimmbare Eier oder Käferlarven können nun durch ihren DNA-Barcode einer Art zugeordnet werden – sofern diese schon in der Datenbank hinterlegt wurde. Deswegen finden diese Methoden bereits heute in der Lebensmittelüberwachung, der Kriminalistik, der Medizin und in der Schädlingsbekämpfung breite Anwendung.

Um den oben genannten Datensatz auf Herz und Nieren zu prüfen, haben die Bonner Forscher ein neues bioinformatisches Werkzeug entwickelt, welches es erleichtert, die „Faulen Eier“ (= inkorrekte Daten) unter den tausenden von Datensätzen zu entdecken, bevor diese in öffentlichen Datenbanken Probleme bereiten können. Dieser Schritt war den Wissenschaftlern extrem wichtig, da diese Referenzbibliotheken auf nationaler und globaler Ebene inzwischen schon eine riesige Menge an Daten enthalten. Die Software vergleicht dazu unter anderem die Übereinstimmung der Artbestimmung der Tiere, die sich in einem DNA-Barcode-Cluster befinden und kann somit Hinweise auf inkorrekt determinierte Exemplare, kontaminierte Proben oder auf kryptische Diversität geben.

Die Suche nach solchen "Fehlern" kann über einen graphischen, aber auch automatisch über einen numerischen Output erfolgen. Im Falle des neu generierten Datensatzes umfasst der graphische Output 104 DIN A4 Seiten bzw. 227 Seiten in der Analyse aller bisher durch Barcoding erfassten deutschen Käferdaten (nun inzwischen 4000 Arten!, ca. 2/3 der gesamten Fauna). Die Seitenzahl lässt erahnen, wie aufwändig die Kontrollen wären, müsste man dies manuell prüfen. Veröffentlicht wurde die Arbeit, die das Werkzeug namens ‚TaxCI‘ vorstellt, jetzt in der renommierten Zeitschrift Methods in Ecology and Evolution. Der internationalen DNA-Barcoding-Gemeinschaft steht es frei zur Verfügung und wird helfen, die Qualität der Referenz-Datenbanken der genetischen Fingerabdrücke jeder Art zu verbessern, indem die möglichen Fehler anhand der Belegexemplare überprüft und gegebenenfalls korrigiert bzw. als Kontamination markiert werden.

Quelle: Methods in Ecology and Evolution (MEE)

Titel: Using taxonomic consistency with semi-automated data pre-processing for high quality DNA barcodes

Autoren:

Björn Rulik1, Jonas Eberle2*, Laura von der Mark1, Jana Thormann1, Manfred Jung3, Frank Köhler4, Wolfgang Apfel5, Andreas Weigel5, Andreas Kopetz5, Jonas Köhler6, Frank Fritzlar7, Matthias Hartmann5, Karl Hadulla8, Joachim Schmidt9, Thomas Hörren10, Detlef Krebs5, Florian Theves11, Ute Eulitz12, André Skale5, Dirk Rohwedder2, Andreas Kleeberg13, Jonas Astrin1, Matthias Geiger1, Wolfgang Wägele2, Peter Grobe2, Dirk Ahrens2*

DOI: 10.1111/2041-210X.12824

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/2041-210X.12824/full

 

 

Abb. 1: Der Schwarzfleckige Zangenbock Rhagium mordax (DEGEER, 1775) – einer der 13516 Käfer aus dieser Studie.[ZFMK-TIS-2002402]

Abb. 1: Der Schwarzfleckige Zangenbock Rhagium mordax (DeGeer, 1775) – einer der 13516 Käfer aus dieser Studie.[ZFMK-TIS-2002402]

Copyright: CC-BY-SA-4.0 [http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/] lizensiert unter Namensnennung: „Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig / GBOL“.

 

Abb. 2: Ausschnitt aus dem TaxCI-Käferbaum: zwei „saubere“ DNA-Barcode-Cluster jeweils einer Art sind abgebildet.

 

Abb. 2: Ausschnitt aus dem TaxCI-Käferbaum: zwei „saubere“ DNA-Barcode-Cluster jeweils einer Art sind abgebildet.

Copyright: CC-BY-SA-4.0 [http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/] lizensiert unter Namensnennung: „Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig / GBOL“ und Weitergabe unter gleichen Bedingungen

 

1 Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Zentrum für molekulare Biodiversitätsforschung (zmb), Adenauerallee 160, D-53113 Bonn, Germany

2 Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Zentrum für Taxonomie und Evolution (ZTE), Adenauerallee 160, D-53113 Bonn, Germany

3 Hauptstraße 26a, D-38822 Athenstedt, Germany

4 Strombergstr. 22a, D- 53332 Bornheim, Germany

5 Naturkundemuseum Erfurt, Große Arche 14, D-99084 Erfurt, Germany

6 Rochusstraße 82, D-53123 Bonn, Germany

7 Kernbergstraße 73, D-07749 Jena, Germany

8 Oberstraße 51, D-53844 Troisdorf, Germany

9 Lindenstr. 3a, D–18211 Admannshagen, Germany

10 Meidericher Straße 47, D-45476 Mülheim an der Ruhr, Germany

11Branderhofer Weg 103, D-52066 Aachen, Germany

12 c/o Senckenberg Naturhistorische Sammlungen Dresden, Museum für Tierkunde, Königsbrücker Landstr. 159, D-01109 Dresden, Germany

13 Zum Alten Windmühlenberg 26, D-12524 Berlin, Germany


Ansprechpartner:


Dr. Dirk Ahrens

Abteilungsleiter Arthropoda

Kurator Coleoptera

Tel: +49 228 9122-286

Fax: +49 228 9122-212

Mail: d [dot] ahrens [at] leibniz-zfmk [dot] de

 

Björn Rulik

Taxonomischer Koordinator GBOL

Molekulare Taxonomie

Tel: +49 228 9122-373

Fax: +49 228 9122-295

Mail: b [dot] rulik [at] leibniz-zfmk [dot] de

 

 

 

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Das Zoologische Forschungsmuseum Alexander Koenig - Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere hat einen Forschungsanteil von mehr als 75 %. Das ZFMK betreibt sammlungsbasierte Biodiversitätsforschung zur Systematik und Phylogenie, Biogeographie und Taxonomie der terrestrischen Fauna. Die Ausstellung „Unser blauer Planet“ trägt zum Verständnis von Biodiversität unter globalen Aspekten bei.

 

Zur Leibniz-Gemeinschaft gehören zurzeit 91 Forschungsinstitute und wissenschaftliche Infrastruktureinrichtungen für die Forschung sowie drei assoziierte Mitglieder. Die Ausrichtung der Leibniz-Institute reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Sozial- und Raumwissenschaften bis hin zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute arbeiten strategisch und themenorientiert an Fragestellungen von gesamtgesellschaftlicher Bedeutung Bund und Länder fördern die Institute der Leibniz-Gemeinschaft daher gemeinsam. Näheres unter www.leibniz-gemeinschaft.de

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