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Background
In light of the current biodiversity crisis, DNA barcoding is developing into an essential tool to quantify state shifts in global ecosystems. Current barcoding protocols often rely on short amplicon sequences, which yield accurate identification of biological entities in a community but provide limited phylogenetic resolution across broad taxonomic scales. However, the phylogenetic structure of communities is an essential component of biodiversity. Consequently, a barcoding approach is required that unites robust taxonomic assignment power and high phylogenetic utility. A possible solution is offered by sequencing long ribosomal DNA (rDNA) amplicons on the MinION platform (Oxford Nanopore Technologies).
Findings
Using a dataset of various animal and plant species, with a focus on arthropods, we assemble a pipeline for long rDNA barcode analysis and introduce a new software (MiniBar) to demultiplex dual indexed Nanopore reads. We find excellent phylogenetic and taxonomic resolution offered by long rDNA sequences across broad taxonomic scales. We highlight the simplicity of our approach by field barcoding with a miniaturized, mobile laboratory in a remote rainforest. We also test the utility of long rDNA amplicons for analysis of community diversity through metabarcoding and find that they recover highly skewed diversity estimates.
Conclusions
Sequencing dual indexed, long rDNA amplicons on the MinION platform is a straightforward, cost-effective, portable, and universal approach for eukaryote DNA barcoding. Although bulk community analyses using long-amplicon approaches may introduce biases, the long rDNA amplicons approach signifies a powerful tool for enabling the accurate recovery of taxonomic and phylogenetic diversity across biological communities.
Global human population growth is associated with many problems, such asrnfood and water provision, political conflicts, spread of diseases, and environmental destruction. The mitigation of these problems is mirrored in several global conventions and programs, some of which, however, are conflicting. Here, we discuss the conflicts between biodiversity conservation and disease eradication. Numerous health programs aim at eradicating pathogens, and many focus on the eradication of vectors, such as mosquitos or other parasites. As a case study, we focus on the "Pan African Tsetse and Trypanosomiasis Eradication Campaign," which aims at eradicating a pathogen (Trypanosoma) as well as its vector, the entire group of tsetse flies (Glossinidae). As the distribution of tsetse flies largely overlaps with the African hotspots of freshwater biodiversity, we argue for a strong consideration of environmental issues when applying vector control measures, especially the aerial applications of insecticides.rnFurthermore, we want to stimulate discussions on the value of speciesrnand whether full eradication of a pathogen or vector is justified at all. Finally, we call for a stronger harmonization of international conventions. Proper environmental impact assessments need to be conducted before control or eradication programs are carried out to minimize negative effects on biodiversity.
Global change, i.e. climate and land use changes, severely impact natural ecosystems at different scales. Poikilothermic animals as butterflies, amphibians and reptiles have proven to be useful indicators for global change impacts as their phenology, spatial distribution, individual fitness and survival strongly depend on external environmental factors. In this aspect, phenological changes in terms of advanced flight or breeding periods, immigrations of foreign species, range shifts concomitant with temperature increases and even local population declines have been observed in both species groups. However, to date much attention has been paid to global change impacts on the species or population level and analyses concerning entire ecosystems are scarce. Applying a novel statistical modelling algorithm we assessed future changes in the extent and composition of terrestrial ecoregions as classified by the World Wide Fund for Nature (WWF). They are defined as coarse-scale conservation units containing exceptional assemblages of species and ecological dynamics. Our results demonstrate dramatic geographical changes in the extent and location of these ecoregions across all continents and even imply a repriorisation of conservation efforts to cope with future climate change impacts on biodiversity. On the local scale, climate change impacts become unequivocal. Comparing historical to contemporary butterfly assemblages on vineyard fallows of the Trier Region, a significant decline in butterfly richness, but also a severe depletion in trait diversity was observed. Comparisons of community temperature indices reveal a striking shift in community composition leading to a replacement of sedentary and monophagous habitat specialists by ubiquitous species. Similar changes have been observed in nature reserves in the Saar-Mosel-area. Monitoring data reveal strong losses of species diversity and remarkable shifts of community compositions at the expense of habitat specialists. Besides climatic variability, these findings are largely attributed to changes in habitat structures, mostly due to eutrophication and monotonisation. Management activities are unlikely to counterbalance these effects, thus severely questioning current conservation strategies. Most dramatic global change impacts are suspected on closely associated species and disruptions of biotic interactions are often hold responsible for species declines. A strong host-parasite association has developed in Myrmica ants and Maculinea butterflies, the later crucially depending on specific host ants for their larval survival. Applying environmental niche models we determined considerable niche dynamics in the observed parasite-host relation with a pronounced niche plasticity in the butterfly species adapting to previous evasive niche shifts in their host ants. Moreover, the new emergence of species continuously expanding their northernmost range borders concomitant with global warming like the Short-tailed blue (Cupido argiades) is attributed to climate change. However, species distribution models predict a severe habitat loss and shifts of potentially suitable habitats of this species towards north-eastern Europe and higher altitudes under several IPCC scenarios making the presence of this species in the Trier region a contemporary phenomenon. Species distribution models have emerged as powerful tools to predict species distributions over spatial and temporal scales. However, not only the presence of a species, but also its abundance have significant implications for species conservation. The ability to deduce spatial abundance patterns from environmental suitability might more efficiently guide field surveys or monitoring programs over large geographical areas saving time and money. Although the application of species distribution models to deduce vertebrate abundances is well recognized, our results indicate that this method is not an adequate approach to predict invertebrate abundances. Structural and ecological factors as well as climatic patterns acting at the microscale are key drivers of invertebrate occurrence and abundances limiting conclusions drawn from modeling approaches. Population declines should be interpreted with care as in butterflies and amphibians various reasons are debated. Both species groups are acknowledged to be highly susceptible to land use changes and variations in landscape structure. Moreover, climate and land use are not independently operating factors. The combined impact of both is demonstrated in our study linking climate-driven changes in amphibian phenologies to temporal advanced applications of pesticides and fertilizers. Both environmental factors already represent severe threats to amphibians when standing alone, but linking their combined impacts may result in an potentiated risk for amphibian populations. As all amphibians and numerous butterfly species are legally protected under the Federal Nature Conservation Act, intensifications of agricultural land use in large parts of Germany as well as new agrarian practices (including genetically manipulated plants accompanied by new herbicide technologies) might severely challenge regional conservation activities in the future.
Die Verwendung von unbestimmten Rechtsbegriffen bereitet Schwierigkeiten bei der Anwendung und gefährdet die Rechtssicherheit. In vielen Rechtsnormen des Umweltrechts (u. a. UVPG) findet der unbestimmte Rechtsbegriff "voraussichtliche erhebliche Umweltauswirkungen" Verwendung. In dieser Arbeit wird ein Beitrag zur Konkretisierung dieses Begriffes im Rahmen der strategischen Umweltprüfung (SUP) geleistet. Dabei wird ein interdisziplinärer Forschungsansatz gewählt, der durch juristische, wie naturwissenschaftliche Methodik geprägt ist und dazu beiträgt das Schutzgut der Biodiversität genauer zu bestimmen. Dazu wird zunächst auf juristischer Ebene geprüft, ob aus dem UVPG sowie weiteren Rechtsnormen des Umweltrechts Informationen zur Konkretisierung dieses Begriffes zu gewinnen sind. Hiernach ergibt sich, dass der Erheblichkeitsbegriff insbesondere dazu dient, Bagatellfälle auszuklammern und Angleichungen zwischen den Rechtsnormen zu erreichen. Da die SUP seit 2005 geltendes Recht ist, ist es wichtig zu sehen, wie in der Gutachtenpraxis mit diesem unbestimmten Rechtsbegriff umgegangen wird. Daher sind vier Umweltberichte gemäß -§14g Satz 2 Nr.5 UVPG überprüft worden. Es stellte sich heraus, dass die Umweltberichte weder in der Lage sind die voraussichtlichen erheblichen Umweltauswirkungen zu Konkretisieren, noch wie es vom UVPG gemäß -§14g Satz 2 Nr.3 UVPG gefordert wird das Schutzgut der Biodiversität hinreichend darzustellen. Aus naturwissenschaftlicher Sicht wurden zunächst natürliche und anthropogene Auswirkungen auf die Biodiversität geprüft, um so die Faktoren zu ermitteln, die die Biodiversität besonders negativ zu beeinflussen vermögen. Demnach gilt es die Faktoren Habitatfragmentierung, Angleichungsprozesse (Biotic homogenization) und Intensität der Landnutzung im Rahmen der SUP frühzeitig zu vermeiden. Die "Convention of Biodiversity" zählt neben den Arten und Landschaften auch die genetische Ebene zum Begriff der Biodiversität. So ist es sinnvoll auch genetische Aspekte in die Schadensbewertung zu integrieren. Daher wurden in einer phylogeographischen Analyse die zwei Genorte Cytochrom Oxidase I und die Control Region der mtDNA des silbergrünen Bläuling, Polyommatus coridon (30 Populationen) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass genetische Analysen zwar wichtige Informationen für die Konkretisierung des unbestimmten Rechtsbegriffes liefern, aber dennoch mit Vorsicht diesbezüglich zu behandeln sind. Letztendlich stellte sich heraus, dass die Konkretisierung des unbestimmten Rechtbegriffes der voraussichtlichen erheblichen Umweltauswirkungen sich im Rahmen der strategischen Umweltprüfung mehr als schwierig und in Hinblick auf der Konzeption der SUP wenig sinnvoll erweist.
Die vorliegende Arbeit untersucht zwei grundlegende Fragestellungen im Hinblick auf den Betrieb von Genbanken als Beitrag zur Sicherung der genetischen Diversität. Das erste Kapitel behandelt aus rechtlicher Sicht die juristischen Fragen nach dem Zugang zu genetischen Ressourcen, nach dem Ausgleich aus der Nutzung entstehender Vorteile (Access and Benefit Sharing, ABS) und nach den Möglichkeiten des Handels mit Proben gefährdeter Tierarten, dies sowohl im Hinblick auf die rein wissenschaftliche Forschung als auch in Bezug auf kommerziell orientierte Zwecke. Grundlegend für die Bearbeitung dieser Fragen war die detaillierte Betrachtung des Übereinkommens über die biologische Vielfalt (CBD) und des Übereinkommens über den internationalen Handel mit gefährdeten Arten freilebender Tiere und Pflanzen (CITES). Da das CBD im Hinblick auf den Zugang zu genetischen Ressourcen in der Bundesrepublik Deutschland bisher nicht umgesetzt ist, bleibt dem Betreiber einer Genbank zur rechtlichen Absicherung und Klarheit nur die Aushandlung von Materialübertragungsverträgen mit den Ursprungsländern der genetischen Ressourcen. Der nachfolgende Handel mit gelagerten Proben gefährdeter Tierarten ist möglich, wenn dies nicht-kommerziell zur wissenschaftlichen Forschung erfolgt und die beteiligten Institutionen bei ihren Regierungen als wissenschaftliche Institutionen registriert sind. Bei kommerziellen Absichten unterliegt der Handel streng den durch das CITES vorgegebenen Regulierungen. Ausnahmen des Handelsverbotes sind möglich, z.B. dann wenn es sich um Proben von Tieren handelt, die in Gefangenschaft gezüchtet worden sind. Das zweite Kapitel behandelt aus naturwissenschaftlicher Sicht die Möglichkeit der direkten Gewinnung genetischer Materialien von Tieren. Hierbei wurde die Isolierung adulter Stammzellen aus der Haut von Säugetieren als Zielzellen zur Lagerung in Genbanken fokussiert. Am Modellorganismus Hausschwein (Sus scrofa domestica) wurde eine Methode zur Isolation adulter stammzellähnlicher Zellen aus der Haut etabliert. Durch nachfolgende Laborversuche wurden die isolierten stammzellähnlichen Zellen (pSSCs, porcine skin derived stem cell-like cells) charakterisiert. Wie mesenchymale Stammzellen haben pSSCs eine fibroblasten-ähnliche Morphologie und exprimieren die Oberflächenproteine CD9, CD29, CD44 , CD105 und sehr gering CD90. Neben diesen konnte die Expression der stammzellasoziierten Gene Stat3, Oct3/4, Sox2, Nestin, Bcrp1/ABCG2 und Bmi1 nachgewiesen werden. Weitere Versuche zeigten die induzierte Differenzierung der pSSCs zu Zellen zweier embryonaler Keimblätter, dem Ektoderm (Neuronen, Astrozyten) und dem Mesoderm (glatte Muskelzellen und Adipozyten). Zur vollständigen Charakterisierung und gänzlichen Ermittlung des Differenzierungspotentials bedarf es allerdings weiterer Versuche, die wegen der Kostspieligkeit und einem erhöhten zeitlichen Aufwand hier nicht realisierbar waren. Die Expansion und die Kryokonservierung der pSSCs zeigten geringfügige Auswirkungen auf den Phänotyp und das Differenzierungspotential. In Bezug auf die Kryokonservierung konnte wegen der geringen Anzahl an Versuchen eine definitive Aussage über ihre Folgen nicht getroffen werden. Folglich bedarf es weiterer Untersuchungen zur Ermittlung der Auswirkungen der Kryokonservierung auf adulte Stammzellen, die aus der Haut gewonnen werden können. Durch ihre Lagerung in Genbanken eröffnen aus der Haut isolierbare Stammzellen neue Möglichkeiten für den Artenschutz, dies vor allem durch ihre Anwendbarkeit im Rahmen modernster Reproduktionsmethoden und als nahezu unendliche DNA-Quelle für phylogenetische Studien, die zum Populationsmanagement unerlässlich sind. Trotz der sich aus dieser Arbeit ergebenden neuen Fragen - im Hinblick auf den Zugang, die Gewinnung und auch die Lagerung genetischer Materialien gefährdeter Tierarten -, bleibt festzuhalten, dass Genbanken generell die Möglichkeit bieten, vitales, biologisches Material bereitzuhalten. Dies ist sowohl bedeutend für die Grundlagenforschung als auch für den Einsatz dieser Materialien zur Steigerung der Reproduktion gefährdeter Arten, letztlich mit dem Ziel, genetische Variationen zu erhalten, die anderenfalls verloren gehen würden.