s/dna-metabarcoding/DNA metabarcoding/gi
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.
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.
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.
Das Projekt AntiEPS ist als grundlagen- und anwendungsorientiertes Forschungsvorhaben in einem Verbund der zwei Forschungsinstitutionen (FVA Baden-Württemberg, Julius Kühn-Institut) und der AIM Advanced Identification Methods GmbH geplant und entwickelt. Darüber hinaus wird eine enge Zusammenarbeit mit Forschungsinstitutionen bundesweit wie auch den lokalen und regionalen Betriebseinrichtungen angestrebt. Die durch negative Auswirkungen globaler Klimaveränderungen resultierenden Schadursachen in heimischen Waldökosystemen begünstigen das teilweise massenhafte Auftreten von Schadorganismen und beinträchtigen somit erheblich die Waldgesundheit. Ziel des geplanten Teilvorhabens ist, die Diversität an EPS-Pathogenen (Bakterien, Pilze, einschließlich Mikrosporidien, Protisten) sowie EPS-Parasiten, -Parasitoiden und -Prädatoren, wie auch die Intensität des Befalls in verschiedenen Entwicklungsstadien des EPS mittels breit angelegter DNA Metabarcoding gestützter Monitoringversuche zu erfassen. Weiterhin sollen hierbei verschiedene Populationen und Entwicklungsstadien untersucht werden, um mögliche Assoziationen zwischen der Geographie und des Entwicklungsstandes zum möglichen Parasitierungsgrad zu detektieren. Die DNA Metabarcoding Technologie bietet hierbei einen hohen Grad Detektionssensivität, sowie taxonomischer Abdeckung um ein möglichst umfassendes Bild der EPS-Gegenspielercommunities zu erhalten.
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.
Mit der vorliegenden Handlungsempfehlung werden die Herausforderungen und Optionen des standardisierten Einsatzes von DNA-Metabarcoding im behördlichen Natur- und Umweltschutz analysiert und bewertet. Basierend darauf werden konkrete Lösungsoptionen für die Standardisierung und Qualitätssicherung sowie die dafür erforderlichen Schritte dargestellt. Die Handlungsempfehlung fasst die Ergebnisse der Veranstaltung „DNA-basierte Biodiversitätsanalysen im Natur- und Umweltschutz: Welche Optionen haben wir für eine Standardisierung?“ zusammen, die vom Bundesamt für Naturschutz (BfN) gemeinsam mit dem Fachbereich Biodiversität der VDI-Gesellschaft Technologies of Life Sciences (VDI-TLS) vom 1.-3. Juni 2022 im Kloster Schöntal durchgeführt wurde.
In dem Projekt „eDNA-basierte Verfahren in der behördlichen Praxis“ hat die Universität Duisburg-Essen eine Flächenstudie an Fließgewässern durchgeführt, um das Potenzial genetischer Methoden (DNA-Metabarcoding) zur Beurteilung des ökologischen Zustands für die in der Bewertungspraxis der Wasserrahmenrichtlinie genutzten Biologischen Qualitätselemente zu testen. Die Ergebnisse zeigen, dass DNA basierte Methoden eine qualitativ hochwertige, effiziente und kostengünstige Ergänzung zu den klassischen morpho-taxonomischen Methoden ist. In dem Vorhaben haben die Fachleute Protokolle für den gesamten Arbeitsablauf, Software Lösungen für die Auswertung der Daten sowie Arbeitshilfen für die Bewertung erarbeitet.
In Deutschland fehlt eine flächendeckende und standardisierte Erfassung der Bodenorganismen, obwohl mit den ca. 800 Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF) eine umfassende Infrastruktur dafür zur Verfügung steht. Allerdings führen bisher nicht alle Bundesländer eigene bodenbiologische Untersuchungen auf ihren BDF durch. Wichtigster Grund dafür dürfte die aufwändige und teure Bestimmung der Bodeninvertebraten sein. Zur Lösung dieses Problems sollte das vorliegende Vorhaben beitragen. An 25 Standorten wurden Regenwürmer, Enchytraeiden und Collembolen erfasst, die Tiere morphologisch und per DNA-Metabarcoding bestimmt und die Ergebnisse miteinander verglichen. Das Ziel war, Empfehlungen für ein effizientes und routinemäßig umsetzbares Monitoring der Bodenfauna im Rahmen des deutschen BDF-Programms zu entwickeln. Die Ergebnisse zeigten, dass die genetischen Bestimmungsmethoden hierfür grundsätzlich geeignet sind. Vor einer Einführung in die behördliche Praxis müssen noch einige Voraussetzungen erfüllt werden. Die DNA-Referenzdatenbanken müssen umfassend, gut kuratiert und qualitätskontrolliert sein. DNA-basierte Methoden müssen standardisiert werden. Es müssen belastbare Indizes für die Bodengesundheit, basierend auf Daten zu Bodenorganismen entwickelt werden. Es wird empfohlen, dass die Erhebungen bezüglich der Bodenfauna in allen Bundesländern im gleichen Umfang und mit gleichen Methoden erfolgen. Bodenorganismen sollten zunächst mit klassisch morphologischen Methoden regelmäßig erfasst werden, mindestens Regenwürmer, Enchytraeiden und Collembolen. Die Aufnahme weiterer Gruppen sollte geprüft werden. Die Einführung genetischer Methoden sollte, beginnend mit den Regenwürmern, schrittweise erfolgen. Die erhobenen Daten sollten zentral zusammengeführt und der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt werden. Langfristig sollte Umwelt-DNA-Metabarcoding standardmäßig zur Untersuchung und Bewertung der biologischen Vielfalt des Bodens eingesetzt werden. Quelle: Forschungsbericht
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| Bund | 15 |
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