Neelus murinus, ein winziger im Boden lebender Springschwanz.

Funktionale Umweltgenomik

Invertebraten Genomik und Metagenomik im Boden

Wir entwickeln und adaptieren molekulare Ansätze, um die Struktur, Zusammensetzung und Funktionen von schwer zu beobachtenden Organismen zu erforschen. So gehen wir wichtigen ökologischen Fragen nach, wie beispielsweise den Auswirkungen der ‘Großen Beschleunigung’ auf taxonomisch vielfältige Gemeinschaften. 

Unser Hauptaugenmerk liegt auf der Entwicklung und Erprobung von Methoden zur Beschreibung der Struktur und Funktion von Gemeinschaften im Boden lebender Invertebraten. Diese Forschung führen wir gemeinsam mit der Abteilung Bodenzoologie des Senckenberg Instituts in Görlitz.

Das Projekt „Metagenomisches Monitoring von Bodengemeinschaften (MetaInvert)“ ist Teil des LOEWE-Zentrums für Translationale Biodiversitätsgenomik und wird von Miki Bálint, Ricarda Lehmitz und Peter Decker geleitet. Das Projekt wird durch das Programm „LOEWE – Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz“ des Hessischen Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst gefördert. Unter der Leitung von Clément Schneider haben wir über 250 Arten wirbelloser Bodenlebewesen genomisch sequenziert. Das Ziel dieser Datenbank ist es, die Artbestimmung mittels Shotgun-Metagenomik zu verbessern.

Alexandra Schmidt arbeitet an dem Projekt ‚Metagenomics of soil invertebrate mock communities‘ als Forschung Ihrer Master Thesis. Ihr Ziel ist es, die Genauigkeit der Identifikation, sowie die Möglichkeit der Schlussfolgerung von DNA-Sequenzen (‘reads’) auf die Biomasse der Organismen in metagenomischen Testgemeinschaften (Mock communities) von Bodeninvertebraten zu evaluieren. Als Referenzdatenbank werden Genominformationen des ‚MetaInvert‘-Projekts verwendet. Die ‘Mock-Ups’ decken ein breites Spektrum an taxonomischen Gruppen und Zusammensetzungen (Biomasseverteilung) ab. Mit dieser Forschung hoffen wir, zukünftige metagenomische Feldmonitoring-Projekte effizienter zu gestalten.

Anna Küchler arbeitet derzeit im Rahmen ihrer Promition an dem Projekt ‚BE-Spring: Discovering Collembola biodiversity on grasslands with emerging genomic and metagenomic tools‘, welches  Teil des DFG-geförderten Rahmenprojekts ‘Biodiversity Exploratories’ ist. Ziel ihres Projekts ist es, eine Genom-Referenzdatenbank für die häufigsten Arten im Boden vorkommender Springschwänze (SGRD) auf den Grünlandflächen der Biodiversitäts Exploratorien, deren Beprobungsflächen über Nord-, Mittel- und Süddeutschland verteilt sind (im Biosphärenreservat Schorfheide-Chorin, im Nationalpark Hainich und im Biosphärenreservat Schwäbische Alb), zu etablieren. Mittels eines metagenomischen Ansatzes, der im Rahmen von ‚MetaInvert‘ erarbeitet wurde, will sie diese Springschwanz-Gemeinschaften beschreiben und untersuchen, (1) wie Umweltfaktoren und die Intensivierung der Grünlandnutzung die Zusammensetzung und Funktionsweise der Springschwanz-Gemeinschaften beeinflussen und (2) diese Gemeinschaften mit anderen Organismen von Grünland-Ökosysteme zusammenhängen. Neben Miki Bálint sind auch Clément Schneider (Leiter der Sektion Apterygota, SGN Görlitz) und Peter Manning (Leiter der Arbeitsgruppe ‚Causes and Consequences of biodiversity change‘, S-BikF) als Projekt-PIs beteiligt, sowie das ebenfalls an Biodiversity Exploratories beteiligte Team des Projekts RESOILIENCE als Kooperationspartner.

Dr. Gemma Collins ist Postdoc in der Gruppe und arbeitet am ‚MetaInvert‘-Projekt am Vergleich der Genome von über 250 individuellen wirbellosen Bodenlebewesen. Dies beinhaltet sowohl funktionelle Analysen der Genome als auch die Evaluierung von Faktoren, die den Erfolg der Genomsequenzierung beeinflussen können. Eines der übergreifenden Ziele von MetaInvert ist es, eine repräsentative Ressource von Boden Invertebraten in Deutschland zu generieren, die als Referenzdatenbank für die metagenomische Datenerfassung erstellt werden soll. Dr. Gemma Collins wird auch zu diesem Ziel beitragen.

Funktionale Umweltgenomik
Eine kleine Teilprobe von Springschwänzen, die innerhalb eines Quadratmeters Boden gefunden wurde. Springschwänze sind eine sehr vielfältige Gruppe von Mikroarthropoden, die zwischen weniger als einem und wenigen Millimetern groß werden und in allen Biomen der Erde vorkommen.

Historische Umwelt-DNA

Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Arbeit der Gruppe ist es, mit historischer Umwelt-DNA (ancient eDNA), die in Meeressedimenten konserviert ist, lange Zeitreihen von Lebensgemeinschaften zu erstellen und diese zu interpretieren. Ancient DNA kann eine große Vielfalt von Taxa erfassen, die einst in aquatischen Lebensräumen lebten. Dies kann bis zu Tausenden von Jahren zurück gehen. Dadurch können aDNA-Zeitreihen von Lebensgemeinschaften Fragen zu den ökologischen Auswirkungen historischer Klimaveränderungen und menschlicher Einflüsse beantworten.

Unser neuestes eDNA-Projekt lautet: „Vorhersage der Zukunft anhand von Signaturen der Vergangenheit: Verwendung von lebenden Sediment Archiven und aDNA, um die Reaktionen von marinen Primärproduzenten auf Umweltveränderungen zu verstehen“. Das Projekt vergleicht die Auswirkungen von Veränderungen des Holo- und Anthropozäns auf die Zusammensetzung und die genomischen Populationsstrukturen des Phytoplanktons über die gesamte 8500-jährige Geschichte der Ostsee.

Das Projekt wird durch das Förderprogramm Leibniz-Kooperative Exzellenz der Leibniz Gemeinschaft gefördert. PIs sind Laura Epp (Uni Konstanz), Inga Hense (Uni Hamburg), Miki Bálint, mit Anke Kremp (IOW) als Koordinatorin.

Krebspest-Transkriptomik

Dr. Kathrin Theissinger und ihr Team arbeiten an dem Projekt „Süßwasserkrebse und ihre invasive Krankheit in Europa“. Die Artenvielfalt im Süßwasser ist stark rückläufig. Durch die Einführung der nordamerikanischen invasiven Flusskrebse sind in Europa die Schlüsselarten dieser Ökosysteme, die Süßwasserkrebse, bedroht. Nordamerikanische Flusskrebsarten sind Vektoren für die hoch ansteckende Krebspest, die durch den Erreger Aphanomyces astaci verursacht wird. In unserer Forschung zielen wir darauf ab, die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen einer durch die Krebspest induzierten Immunantwort auf eine A. astaci-Infektion im Rahmen einer originalen Transkriptomik aufzudecken. Darüber hinaus verwenden wir einen multiskalen Ansatz, um die Wirt-Parasit-Interaktionen zu verstehen und Beweise für Wirtswechsel von A. astaci zu erbringen, die Aufschluss auf sein Wirtreservoir bringen. Wir implementieren eine breite Palette neuartiger genomischer Methoden (WGS, RNAseq, WGBS, GWAS-Analyse), um unsere Fragen zu beantworten und hochwertige Referenzdatensätze für zukünftige genomische Studien an Süßwasserkrebsen bereitzustellen. Indem wir die Auswirkungen von A. astaci auf europäische Süßwasser-Ökosysteme untersuchen, gewinnen wir ein besseres Verständnis für biologische Invasionen, die zweitgrößte Ursache für den Verlust der Biodiversität.