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DNA metabarcoding data of arthropods collected in different life stages of short rotation coppices (SRC)

<p>The dataset comprises presence data of arthropods, but also on the groups 'Annelida', 'Bacillariophyta', 'Ascomycota', 'Basidiomycota', 'Bryozoa', 'Chordata', 'Cnidaria', 'Echinodermata', 'Glomeromycota', 'Haptophyta', 'Mollusca', 'Mucoromycota', 'Nematoda', 'Nemertea', 'Ochrophyta', 'Oomycota', 'Porifera', 'Pseudomonadota', 'Rhodophyta', 'Rotifera' and 'Tardigrada'. The arthropods were collected in four different life stages of short rotation coppices (harvested, young (2 years), mature (3 years) and old (4 years)) using 3 different trapping techniques: branch sampling (BS), coloured canopy Malaise traps (MT) and pitfall traps (PIT). In each life stage, three sets of traps were placed (3 sites per life stage) and activated for two weeks, each in May, June, July and August. Once in a month, a branch sampling was conducted. In the branch sampling, 16 trees within a radius of 20m around the canopy Malaise traps were randomly selected and shaken for 10 s. Arthropods fell on a plastic tarpaulin of 1x1 m that was emptied into a collection bottle where the arthropods were stored in 96.7% ethanol.</p><p>The samples were analysed using DNA metabarcoding. In DNA metabarcoding, the Cytochrome Oxidase I-Region was targeted using the primers fwhF2 (forward) and fwhR2n (reverse) from Vamos et al 2017 (https://doi.org/10.3897/mbmg.1.14625) The sequences found in the samples were matched with sequences in the BOLD database. The sequences displayed are already grouped like it is known from OTUs. For this grouping, all sequences with a similarity of 97% were compiled, which means that the grouped sequences finally comprise different genetic variants of the same taxa. For each hit in the database, a plausibility check was performed by comparing the distribution range of a species (calculated from GBIF coordinates) and the trapping locations. For each detection of a sequence in a sample, the number of reads is also given. A flagging system helps the user to estimate the degree of uncertainty arising from each species hit.</p><p>This data and the data in the datasets "https://doi.org/10.15468/9pzhm6" and "https://doi.org/10.15468/9pzhm6" belongs to one study.</p>

Joint Danube Survey

The Joint Danube Survey (JDS(link is external)) is one of the most comprehensive investigative surface-water monitoring efforts in the world. Orchestrated by the ICPDR (link is external)(International Commission for the Protection of the Danube River), the key purpose of JDS is to gather vital data on carefully selected elements of water quality across the entire length of the Danube River and its major tributaries. The project harmonizes water monitoring practices across the Danube countries, following the EU Water Framework Directive (WFD) to achieve good water quality. Three JDS events have been previously conducted - in 2001, 2007, and 2013. The fourth survey, JDS4, took place throughout 2019 at 51 sampling sites in 13 countries across the Danube River Basin. The outcome of JDS4 will fill the information gaps necessary to enable the planned 2021 update of the Danube River Basin Management Plan. For the first time, JDS4 included DNA metabarcoding methods, carried out through the University of Essen(link is external). The resulting eDNA samples are centrally archived for JDS at the ZFMK Biobank.

Makroinvertebraten-Gemeinschaften entlang eines arktischen Gletscher- und Schneeflusses in Island: Veränderungen und umweltrelevante Einflussfaktoren - ein Vergleich nach 26 Jahren

Die klimabedingte Gletscherschmelze wird sich auf die Zusammensetzung der Makroinvertebraten in den anschließenden Gletscherflüssen auswirken und zu einer Zunahme der a-Diversität und Abundanz sowie zu einer Aufwärtswanderung der flussabwärts lebenden Makroinvertebraten führen. In arktischen Regionen, in denen der Klimawandel große umweltrelevante Veränderungen erwarten lässt, wird zunehmend der Schnee von größerer Bedeutung für die aquatischen Ökosystemen, der Einfluss der Gletscherschmelze geht zurück. Die Folgen für die Zusammensetzung der Makroinvertebraten sind noch weitgehend ungeklärt, vor allem weil auch Langzeitstudien in arktischen Regionen fehlen. Daher soll in diesem Forschungsprojekt die zeitliche Veränderung von Makroinvertebraten entlang eines arktischen gletscher- und eines schneegespeisten Flusses untersucht werden. Die Grundlage bilden die Ergebnisse von Gíslason et al. (2001), die 1996 und 1997 entlang der beiden Flüsse Vestari- und Austari-Jökulsá Makroinvertebraten sowie hydrophysikalische und -chemische Parameter kartiert haben. Seit diesen ersten Untersuchungen haben sich die hydrologischen und klimatischen Verhältnisse deutlich verändert. An den gleichen Standorten (21) werden in 6 saisonalen Beprobungskampagnen (Frühjahr, Sommer, Herbst) über einen Zeitraum von zwei Jahren die abiotischen Variablen elektrische Leitfähigkeit, Wassertemperatur, -stand, DOC (Konz., Absorption, Fluoreszenz), stabile Isotope, gelöste Kieselsäure, Nährstoffe (PO4, NO3, NO2 und NH4), Ionen (Ca, Mg, Na, K), Chlorophyll a und Sedimentfracht sowie Makroinvertebraten-Gemeinschaften in den aquatischen Ökosystemen erfasst. Für ein zukünftiges Monitoring der Fauna in Gletscherflüssen wird die innovative und nicht-invasive Methode des eDNA-Metabarcodings getestet und weiterentwickelt. Dieser Ansatz ist in anderen aquatischen Ökosystemen bereits erfolgreich eingesetzt worden, noch nicht aber in Gletscherflüssen. Eine Reihe statistischer Techniken (z.B. einseitige/zweiseitige ANOVA) wird angewandt, um Unterschiede in den Längsveränderungen von Makroinvertebraten zwischen den verschiedenen Untersuchungen zu identifizieren und um umweltrelevante Einflussfaktoren für die Veränderung zu identifizieren. Mit der Anwendung des End-Member Mixing Ansatzes werden die Abflusskomponenten der beiden Flüsse während der saisonalen Kampagnen bestimmt, so dass auch die Auswirkungen der durch den Klimawandel verursachten Veränderungen der Wasserherkunftsräume auf Makroinvertebrate bewertet werden können. Letztendlich werden diese intensive, skalenübergreifende Untersuchung der hydrobiologischen und biogeochemischen Eigenschaften zweier arktischer Fließgewässers mit unterschiedlicher Hydrologie und ihrer räumlichen und zeitlichen Dynamik die Wissenslücke bezüglich der langfristigen Veränderung der longitudinalen Variation von Makroinvertebraten-Gemeinschaften in arktischen Flüssen schließen.

DNA metabarcoding data of arthropods captured with different traps in the southwestern German agricultural landscape

<p>The dataset contains data on arthropods which was derived from DNA metabarcoding. The DNA metabarcoding was performed for samples from coloured canopy Malaise traps, caterpillar traps, branch sampling and blue and white pan traps. The traps were selected to capture predominantly flying insects, especially butterflies and hoverflies. They were placed as a defined set in four different habitat types: 'Forest (Beech and oak)', 'Centre of a short rotation coppice', 'Margin of a short rotation coppice' and 'Maize field'. There existed three replicates of each habitat type. The coloured canopy Malaise traps were equipped with blue, yellow and white cotton cloth panels (50 x 35 cm) and hung in a wooden frame four metres above ground. The caterpillar traps consisted of a dark-green plastic tarpaulin, which was stretched between trees and tapered towards the ground. At its lowest point, insects were collected with a capture bottle, which was attached to the tarpoulin with a fine gauze. The branch sampling was conducted by tabbing 100 tree branches and shaking ten trees at each site. In the corn fields, the shaking was replaced by another interval of tabbing. The blue and white pan traps were placed next to each other on a wooden table, one metre above ground. The pans were enlarged at the top with fine gauze to prevent from overfloating in the case of rain. All insects were captured and stored in 96.6% ethanol. The traps were operated in 15-day sampling intervals, each in June, July and August 2021. For DNA metabarcoding, the samples of each sampling interval and method were compiled. The DNA metabarcoding was performed following the method of Hausmann et al (2020): 'Toward a standardized quantitative and qualitative insect monitoring scheme. Ecology and Evolution, 10, 4009–4020'. Briefly, a lysis volume of 5-10 ml of the dried and homogenized composite samples was used for DNA extraction. The mitochondrial Cytochrome c Oxidase subunit I gene (COI) was amplified for species identification (see Leray et al. (2013): 'A new versatile primer set targeting a short fragment of the mitochondrial COI region for metabarcoding metazoan diversity: application for characterizing coral reef fish gut contents. Frontiers in Zoology, 10, 34' and Morinière et al. (2016): 'Species Identification in Malaise Trap Samples by DNA Barcoding Based on NGS Technologies and a Scoring Matrix. PLOS ONE, 11, e0155497'. The resulting metabarcoding data contains the OTU sequences from the samples and their corresponding identities from the Barcode of Life database (BOLD, Ratnasingham and Hebert 2007), the database of the National Center for Biotechnology Information (NCBI) and the Ribosomal Database Project (RDP) classifier. For the two databases, the overlap between the OTU sequence and the database entry determined the determination depth (97-100%: species, 95-97%: genus; 90-95%. family, 85-90%: order, 80-85%: class, 75-80%: phylum, &lt;75%: domain). Each taxonomic determination level of the RDP-classifier is additionally displayed with a bootstrap value. The table also provides data on the red list Germany and Bavaria for each entry.</p><p>The dataset is used in: Hoffmann, L. &amp; Stoll, S. (2025) Catch effectiveness, complementarity and costs of five sampling techniques for flying insects across different land use types. Insect Conservation and Diversity, 1–12. Available from: https://doi.org/10.1111/icad.12839</p>

End biodiversity loss through improved tracking of threatened invertebrates

In today's biodiversity crisis, there is an urgent need to monitor terrestrial and aquatic species in their natural habitats, especially those that may be endangered, invasive or elusive. Traditional species observation methods, based on acoustic or observational surveys are inefficient, costly and time consuming. On the other hand, DNA is continuously deposited in the environment from natural processes and this environmental DNA (eDNA) allows us to detect species and reconstruct their communities with a high level of sensitivity. These data can be used to obtain occurrence records and to collect more population information in field. Crucially, these data are necessary to inform management agencies about the current state of our biodiversity, and are especially urgent for species that are currently data deficient. The aims of this study are to firstly identify occurrence records from diverse sources (databases, literature) and generate a database of distributional data for species of crustacean and mollusks that are data deficient in Sweden. Secondly, we aim to detect threatened species in Swedish marine, freshwater and terrestrial habitats using novel genomic methods (DNA metabarcoding, ddPCR). Finally, based on the new data, we will run species distribution and population models, to improve information on geographic range and population status for threatened invertebrates. The results will be integrated into current monitoring programmes (e.g. red-listing) and action plans.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Teilprojekt: Metabarcoding alter eukaryotischer DNA aus Chew Bahir, Ethiopia: Rekonstruktion der Folgen drastischer Umweltänderungen für die Biodiversität

Das Chew Bahir Drilling Projekt (CBDP) erbrachte tropische Sedimente aus den letzten 650000 Jahren. DNA-Metabarcoding an diesen Proben erschließt ein einzigartiges paläolimnologisches Archiv bezüglich Zeitspanne und zeitlicher Auflösung. In einer Pilotstudie konnten wir mittels Hybridization-Capture-basiertem Metabarcoding eukaryotische DNA aus den ca. 280 m langen Chew Bahir-Kernen in Sedimenten bis 70m Tiefe (ca. 150000 Jahren) analysieren. Dabei werden Sedimentproben einer Taxon- und Gen-spezifischen DNA-Anreicherung mit spezifischen Sonden ('baits') unterzogen und mittels Next-Generation-Sequencing analysiert. Wir wollen das Potenzial des DNA-Metabarcodings in den langen CBDP-Kernen weiter untersuchen. Unsere grundlegenden wissenschaftlichen Fragen sind: (1) Wie reagiert das Ökosystem auf kurze, aber signifikante Störungen, z.B. Dürren oder erhöhte Feuchtigkeit? Wir testen die Hypothese, dass einzelne Störungen das Ökosystem dauerhaft verändern, indem wichtige Komponenten des Ökosystems ausgetauscht werden. Da wir die Gesamtheit der Eukaryoten erfassen, können wir die Effekte für die Biodiversität quantifizieren und Folgen für Ökosystemfunktionen ableiten. (2) Was sind die Folgen globaler und lokaler Klimaveränderung, z.B. an Kipppunkten (tipping points)? Hier untersuchen wir, ob und wie ein Ökosystem infolge einer Störung von einem stabilen Zustand in einen anderen übergeht. Ein spezieller Fokus ist, ob ökologische Nischen nach einer Störung von den gleichen Taxa wiederbesiedelt werden oder ob sie durch andere Taxa ersetzt werden, wodurch sich Eigenschaften des Ökosystems verändern können. (3) Welche Langzeit-Trends finden sich in den Lebensgemeinschaften in Chew Bahir und anderen afrikanischen Sedimentkernen? Wir werden zeitliche Trends unserer Ziel-Eukaryotentaxa ermitteln, sowohl bezüglich der Artzugehörigkeit als auch bezüglich kryptischer genetischer Variation und (halbquantitativ) relativer Abundanz. Dies umfasst als Proxies etablierte Planktonorganismen (Ostracoda, Cladocera, Rotatoria, Diatomeen), aber auch wichtige terrestrische Arten (Insekten, Nagetiere, Huftiere, höhere Pflanzen). (4) Wie lange zurück in der Zeit können DNA-Reste im Chew Bahir und anderen HSPDP-Kernen extrahiert und analysiert werden? Hier werden wir Möglichkeiten DNA-basierter Detektion von Organismen in tieferen Schichten der Kerne (unter 70m) evaluieren. Weiterhin werden wir unsere Analyseprotokolle optimieren, um die DNA-Ausbeute unserer Zieltaxa zu maximieren und methodische Verzerrungen zu minimieren. Darüberhinaus werden wir Möglichkeiten und Grenzen halbquantitativer Abundanzschätzungen mittels NGS und qPCR zwischen Kernschichten und Taxa evaluieren. Wir analysieren gezielt Sedimente vor, während und nach drastischen Umweltveränderungen (vor allem Transitionen zwischen Dürren und Feuchtperioden), die in lithologischen Untersuchungen unserer Kooperationspartner identifiziert werden.

Auswirkungen der Umweltbiodiversität auf die Gesundheit und die Mikrobiomentwicklung im frühen Kindesalter, Studiendurchführung Pädiatrie

Systematische Untersuchung der biologischen Vielfalt des Grünen Bands Deutschland für die Analyse der Biotopverbund- und Klimakorridorfunktion, die Ableitung eines Management- und Monitoringkonzeptes sowie für die Bewertung des Außergewöhnlichen Universellen Wertes (AUW) im Zuge der UNESCO-Welterbenominierung

DNA macht Schule – Molekulare Biodiversitätsforschung am Fließgewässer für Kinder und Jugendliche

Der ökologische Zustand kleinerer Fließgewässer in NRW wird bisher kaum überwacht. Das können wir ändern. Untersuchen Sie gemeinsam mit Ihrer Schulklasse die Biodiversität eines schulnahen Gewässers mithilfe moderner Forschungsmethoden. So leisten Sie einen wichtigen Beitrag zur Umweltbeobachtung und dem Gewässermonitoring. Worum geht es in diesem Projekt? Das Projekt untersucht das Potential eines Citizen Science-Ansatzes mit Beteiligung von Schulklassen für das Monitoring der Biodiversität und des ökologischen Zustands (kleinerer) Fließgewässer in Nordrhein-Westfalen, die bisher kaum überwacht werden. Grundschüler*innen und Schüler*innen der gymnasialen Oberstufe in NRW können hierbei an einem schulnahen Gewässer innovative Umwelt-DNA-Forschungsmethoden zur Untersuchung der Biodiversität erkunden. Hierzu sammeln sie Daten zur chemisch-physikalischen und biologischen Gewässerqualität und nehmen eine Wasserprobe für das eDNA-Metabarcoding. Das DNA-Metabarcoding ist eine innovative Methode, um zahlreiche Arten gleichzeitig zu identifizieren, indem gezielt bestimmte DNA-Abschnitte, sogenannte Barcode-Gene, vervielfältigt und analysiert werden. Durch die Anwendung dieser Technik auf Umweltproben können Artengemeinschaften schnell und effizient bestimmt werden, ohne dass einzelne Organismen direkt erfasst werden müssen. Forscher:innen der Universität Duisburg-Essen analysieren die Gewässerproben und erstellen Listen der nachgewiesenen Arten. Diese werden für die Auswertung im Schulunterricht aufbereitet. Gleichermaßen sollen die Ergebnisse die (behördliche) Umweltbeobachtung ergänzen und einen Beitrag zur Umsetzung der nationalen Wasserstrategie leisten.

Winzige Bodentiere als Umweltindikator Erst unters Mikroskop, dann ins Labor Vom Tier zum genetischen Barcode Ein Barcode braucht eine Referenz Von der Probe zur Datenbank Vom kleinen Bodentier zur großen Referenzdatenbank

Collembolen, auch Springschwänze genannt, sind nur wenige Millimeter groß und spielen trotzdem eine große Rolle für die Funktion unserer Böden und Ökosysteme. Sie reagieren empfindlich auf Veränderungen in ihrem Lebensraum. Ihre Artenzusammensetzung und Häufigkeit liefern daher Hinweise auf Veränderungen in der Umwelt. Wie die LUBW dabei klassische Bestimmungsmethoden mit molekularbiologischen Methoden verbindet, zeigt ein Blick ins Labor. Seit 1986 nimmt die LUBW an verschiedenen Waldstandorten in Baden-Württemberg Proben, um den Effekt von Umweltveränderungen auf Ökosysteme langfristig verfolgen zu können. Im Rahmen dieser Dauerbeobachtung wird im Biologischen Messnetz auch die Artenzusammensetzung von Collembolen erhoben. Dafür werden die kleinen Bodentiere klassisch unter dem Mikroskop anhand ihrer äußeren Merkmale bestimmt. Da diese Bestimmung zeitaufwendig ist, werden seit einiger Zeit die zuvor morphologisch bestimmten Collembolen zusätzlich mit molekularbiologischen Methoden untersucht. Dafür wird aus einzelnen, zuvor morphologisch bestimmten Einzeltieren die DNA extrahiert. Anschließend wird in einer PCR-Reaktion ein bestimmter Abschnitt auf der DNA (Universal-Gen) vervielfältigt. Dieser DNA-Abschnitt dient als DNA-Barcode und kann zur genetischen Identifizierung der Tierart genutzt werden, ähnlich wie ein Fingerabdruck. Im biologischen Labor der LUBW erfolgt die Untersuchung in vier Arbeitsschritten: 1. DNA-Extraktion Aus dem einzelnen Collembolen wird die DNA extrahiert. 2. PCR Ein bestimmter Abschnitt eines Universal-Gens wird vervielfältigt. Dieser Abschnitt wird als DNA-Barcodesequenz genutzt. 3. Sequenzierung Die DNA-Barcodesequenz wird sequenziert, also ihre Reihenfolge der DNA-Bausteine bestimmt. 4. Datenbankeintrag und -abgleich Die DNA-Barcodesequenz wird in Datenbanken hinterlegt und mit bereits vorhandenen Sequenzen verglichen. Dabei werden öffentliche Datenbanken wie z. B. BOLD (Barcode of Life Data Systems) und GenBank genutzt. ​ ​​ ​ ​​​ Bild: DNA-Analyse im Labor: PCR-Ansatz, Gel-Elektrophorese und Gel-Dokumentation. Bildnachweis: LUBW Damit eine DNA-Sequenz, die in einer Umweltprobe gefunden wird einer Tierart zugeordnet werden kann, braucht es passende Referenzsequenzen in den Datenbanken. Die LUBW hat deshalb am Beispiel der Collembolen untersucht, wie vollständig die Datenbanken BOLD und GenBank in Bezug auf diese Tiergruppe sind und wie zuverlässig die vorhandenen Sequenzen zugeordnet werden können. Dabei zeigte sich: Entscheidend ist nicht nur die Anzahl der vorhandenen Sequenzen, sondern auch, wie zuverlässig die Tiere bestimmt wurden, von denen die Referenzsequenzen stammen. Um Lücken in den Datenbanken zu schließen, wurden deshalb zusätzliche DNA-Sequenzen von Collembolen aus aktuellen Proben gewonnen. Die Bearbeitung der Proben umfasst mehrere Schritte: ​​ Bildnachweis: LUBW Was mit einem einzelnen, winzigen Bodentier beginnt, endet in einer DNA-Sequenz, die als Referenz in die Datenbanken eingespeist wird. Je mehr korrekt bestimmte Arten dort mit passenden DNA-Barcodes vertreten sind, desto besser ist die Grundlage, um diese molekularbiologische Untersuchung als Instrument für die Umweltbeobachtung einsetzen zu können. Damit können die Untersuchungen der LUBW einen Baustein für die zukünftige Nutzung von Umwelt-DNA-Metabarcoding bei der Untersuchung und Bewertung der Umwelt liefern. Dadurch kann die Bestimmung der Bodenbiodiversität schneller und genauer erfolgen und Folgen für die Ökosysteme abgeleitet werden. Fortsetzung folgt: Die LUBW plant weiterführende Untersuchungen zum Metabarcoding für die Biodiversitätsbestimmung in Böden und analysiert Ergebnisse zur Entwicklung der Collembolen. Neue Erkenntnisse gibt es dann wieder im LUBW-Blog. Noch mehr Infos gibt es im dazugehörigen wissenschaftlichen Paper. Mehr zur Probennahme und -bearbeitung findet man ebenfalls auf unserem Blog.

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