Name: Eine Mixture-Pipeline zur Generierung molekularer operationeller taxonomischer Einheiten (MOTUs) bei Ufer- und Wasserkäfern (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-07-11T14:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 23 s
Description: Lernen Sie eine bioinformatische Pipeline zur Erzeugung molekularer operationeller taxonomischer Einheiten bei Ufer- und Wasserkäfern. Diese Methode beschleunigt die Artentdeckung in den Tropen durch COI-Sequenzanalyse.

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Mit den beispiellosen Raten des weltweiten Artenrückgangs in verschiedenen Taxa 1,2,3,4 wird der Anstoß, ein umfassendes Biodiversitätsinventar zu erstellen, das bisher unentdeckte und unbeschriebene Arten umfasst, zu einem Wettlauf gegen die Zeit 2,5. Zum einen macht der Erhalt der biologischen Vielfalt nur im Lichte des richtigen taxonomischen Wissens Sinn 6,7. Daher ist die Identifizierung der Biodiversität auf der Ebene der Arten notwendig, da eng verwandte, aber unterschiedliche Arten einzigartige fundamentale Nischen haben können8.
In der Käfersystematik ist die Alpha-Taxonomie oder traditionelle Taxonomie der Goldstandard bei der Artenbestimmung, ähnlich wie bei den meisten, wenn nicht sogar allen Tiergruppen9. Dieser Ansatz stützt sich auf morphologische Merkmale, um Organismen in einer höheren Taxonomie zu klassifizieren und eine Identifizierung auf Artebene zu ermöglichen10,11. In vielen Fällen kann die Identifizierung von Familie12 oder sogar auf Gattungsebene13 allein anhand äußerer morphologischer Merkmale wie Körperform und spezialisierter Anpassungen erfolgen. In der Zwischenzeit erfolgt die Identifizierung auf Artebene bei Käfern in der Regel durch den Vergleich der strukturellen Details des Aedeagus oder der männlichen Genitalien 14,15,16.
Trotz der breiten Akzeptanz dieser morphologiebasierten Alpha-Taxonomie wird dieser Ansatz zur Artenentdeckung durch zahlreiche "taxonomische Hindernisse" behindert6,17,18, insbesondere bei wirbellosenTieren 19. In der Käfersystematik steht die Identifizierung und/oder Entdeckung von Arten mit Hilfe der Alpha-Taxonomie vor der Herausforderung, dass nur eine begrenzte Anzahl qualifizierter Taxonomen zur Verfügung steht20,21, kurze und wenig informative frühere Beschreibungen22 und logistische Probleme im Zusammenhang mit dem Zugang zu Literatur und Typusexemplaren23 auftreten.
Dies wird sogar noch verschärft, wenn das betreffende Taxon kryptisch oder höchst unauffällig ist. Kryptische Arten beziehen sich auf die Gesamtheit von Arten derselben Gattung oder sogar verschiedener Gattungen, die aufgrund subtiler interspezifischer phänetischer Unterschiede nicht leicht durch vergleichende Morphologie abgegrenzt werdenkönnen 24. Einige kryptische Taxa, die als "dunkle Taxa" angesehen werden25,26,27, leiden zusätzlich darunter, dass sie hyperdivers sind, aber stark untererforscht sind. Leider ist dies bei Ufer- und Wasserkäfern nicht ungewöhnlich 8,28. Das Versäumnis, sich mit der Artenabgrenzung zwischen kryptischen dunklen Taxa zu befassen, bedroht die biologische Vielfalt, da Organismen mit potenziell unterschiedlichen Nischen und ökologischen Anforderungen eine einheitliche Schutzmaßnahme gewährt wird 8,29.
Angesichts dieser Herausforderungen hat die "integrative Taxonomie"23 oder der Ansatz, die Alpha-Taxonomie mit einer anderen Evidenzlinie zu koppeln, in den letzten zwei Jahrzehnten als Mittel zur Etablierung neuer Arten an Bedeutung gewonnen 30,31,32. Eine solche Beweislinie, die in integrativen taxonomischen Studien an Käfern 33,34,35,36,37,38,39 und anderen Insektenordnungen 40,41,42,43,44,45 verwendet wird, ist die DNA-Sequenz. Insbesondere wird das mitochondriale Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit I (COI)-Gen aufgrund seiner mäßig konservativen Natur verwendet, um eine Vielzahl von Tieren mit Barcodes zu codieren46,47,48. Während sein 658bp langes 5'-Ende (COI-5'), das auch als "Barcoding-Fragment" oder "Folmer-Fragment" bekannt ist, als "diagnostische" Sequenz49 vorgeschlagen wurde, wird das 723 bp-lange COI-3' auch aufgrund eines robusten Satzes von Primern für das 3'-Ende 50,51,52 verwendet.
Während das DNA-Barcoding unter Verwendung von COI für die Identifizierung auf Speziesebene konzipiert wurde, es durch ein a priori Sequenzrepository53, wie GenBank54 und BOLD55, begrenzt ist, legen molekulare Speziesabgrenzungsansätze Speziesgrenzen fest, indem nur die bereitgestellten DNA-Sequenzen ohne erforderliches Repositorium56 verwendet werden. Es gibt zwei Klassen von Ansätzen zur Abgrenzung molekularer Spezies, die auf der Eingabedatei basieren. Erstens, unter Verwendung des Sequenzalignments als Eingabe, verwenden schwellenwertbasierte Ansätze Cut-off-Werte, um die Divergenz zwischen und innerhalb der Spezies zu bestimmen 48,57,58. Als abstandsbasierte Methoden stützen sich diese Ansätze auf einen beobachteten maximalen intraspezifischen Abstand von 3 % für Insekten, der als "Barcoding-Lücke" bezeichnet wird51,59. Einige der schwellenwertbasierten Ansätze sind SpeciesIdentifier, das in TaxonDNA60 implementiert ist, genetische Distanz über Kimura 2-Parameter (K2P)61 und Assemble Species by Automatic Partitioning (ASAP)62.
Zweitens identifizieren koaleszenzbasierte Ansätze unter Verwendung des Baums als Eingabedatei Artengrenzen und sortieren unabhängige Abstammungslinien, indem sie die Änderung der Abstammungsverzweigungsrate 63,64,66 bestimmen. Koaleszenzbasierte Ansätze, die sich oft auf das phylogenetische Artenkonzept67 stützen, umfassen Poisson-Baumprozesse (PTP)68 und ihre Variation, Multi-Rate-PTP69. In jedem Fall werden die Cluster, die durch die Ansätze zur Abgrenzung molekularer Spezies gebildet werden, zusammenfassend als molekulare operationelle taxonomische Einheiten (MOTUs) bezeichnet.
Hier stellen wir Methoden für eine Concoction-Pipeline zur Generierung von MOTUs vor, die drei schwellenwertbasierte Ansätze und drei koaleszenzbasierte Ansätze umfassen (Abbildung 1). Die Pipeline wird an zwei Datensätzen getestet, nämlich (1) COI-3'-Sequenzen des Uferkäfers Byrrhinus Motschulsky, 1858, die aus zwei veröffentlichten Arten35 bestehen, die zuvor unter Verwendung der integrativen Taxonomie aufgestellt wurden, und zusätzlichen Sequenzen von unbeschriebenen Arten, und (2) COI-5'-Sequenzen von Anacaena Thomson, 1859 Käfern, die aus Sequenzen von zwei veröffentlichten Artenbestehen 70 Zuvor unter Verwendung der Alpha-Taxonomie und zusätzlicher Sequenzen von unbeschriebenen Arten errichtet.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68323/68323fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Flussdiagramm der Zubereitungspipeline zur Generierung von MOTUs. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68323/68323fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

<table><tbody><tr><td>So schnell wie möglich;</td><td>Spart explorer</td><td>https://bioinfo.mnhn.fr/abi/public/asap/asapweb.html</td><td></td></tr><tr><td>Computer</td><td></td><td>Jede Verarbeitungseinheit</td><td></td></tr><tr><td>MEGA X&nbsp;</td><td>MEGA Software</td><td>https://www.megasoftware.net/</td><td></td></tr><tr><td>mPTP-Webserver</td><td></td><td>https://mptp.h-its.org/#/tree</td><td></td></tr><tr><td>PTP-Webserver</td><td>Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS)</td><td>https://species.h-its.org/ptp/</td><td></td></tr><tr><td>Identifikator der Spezies&nbsp;</td><td></td><td>&nbsp; https://taxondna.sourceforge.net/</td><td></td></tr></tbody></table>

eine mixture-pipeline zur generierung molekularer operationeller taxonomischer einheiten (motus) bei ufer- und wasserkäfern

A Concoction Pipeline for Generating Molecular Operational Taxonomic Units (MOTUs) Among Riparian and Aquatic Beetles

In diesem Artikel wurde eine molekulare Pipeline zur Speziesabgrenzung implementiert, die TaxonDNA, K2P, ASAP, zwei Varianten von PTP und mPTP, für Wasser- und Uferkäfer umfasst. Das Ergebnis jedes der sechs Ansätze wird als "molekulare Cluster" bezeichnet, während die Zusammenfassung als "molekulare operationelle taxonomische Einheiten" oder MOTUs75 bezeichnet wird.
Die Concoction-Pipeline wurde an zwei Datensätzen getestet. Der erste Datensatz (Tabelle 1, </st...

Eine Mixture-Pipeline zur Generierung molekularer operationeller taxonomischer Einheiten (MOTUs) bei Ufer- und Wasserkäfern

Biodiversity decline is transpiring at rates unimaginable, yet biodiversity monitoring is hampered by a plethora of factors, including the incomplete ...

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Eine Mixture-Pipeline zur Generierung molekularer operationeller taxonomischer Einheiten (MOTUs) bei Ufer- und Wasserkäfern

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