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TaxonTableTools – A comprehensive, platform-independent graphical user interface software to explore and visualise DNA metabarcoding data

DNA metabarcoding is increasingly used in research and application to assess biodiversity. Powerful analysis software exists to process raw data. However, when it comes to the translation of sequence read data into biological information many end users with limited bioinformatic expertise struggle with the downstream analysis and explore data only to a minor extent. Thus, there is a growing need for easy-to-use, graphical user interface (GUI) analysis software to analyse and visualise DNA metabarcoding data. We here present TaxonTableTools (TTT), a new platform independent GUI software that aims to fill this gap by providing simple and reproducible analysis and visualisation workflows. TTT uses a so-called “TaXon table” as input. This format can easily be generated within TTT from two input files: a read table and a taxonomy table that can be obtained by various published metabarcoding pipelines. TTT analysis and visualisation modules include e.g. Venn diagrams to compare taxon overlap among replicates, samples or among different analysis methods. It analyses and visualises basic statistics such as read proportion per taxon as well as more sophisticated visualisation such as interactive Krona charts for taxonomic data exploration. Various ecological analyses such as alpha or beta diversity estimates, and rarefaction analysis ordination plots can be produced directly. Data can be explored also in formats required by traditional taxonomy-based analyses of regulatory bioassessment programs. TTT comes with a manual and tutorial, is free and publicly available through GitHub (https://github.com/TillMacher/TaxonTableTools) and the Python package index (https://pypi.org/project/taxontabletools/).

Poster auf der DGL-Tagung (Münster, 2019)
Wie valide und plausibel ist DNA-Metabarcoding für die ökologische Zustandsbewertung der Fließgewässer?

Biodiversität ist ein wichtiger Faktor bei der ökologischen Zustandsbewertung von Fließgewässern. Makroinvertebraten, Fische, Makrophyten und das Phytobenthos (inbes. Diatomeen) sind die wichtigsten biologischen Qualitätselemente (BQEs) und werden für die klassischen Zustandsbewertung durch morphologische Bestimmung erfasst. In den letzten Jahren wurden DNA-basierte Methoden als Alternativen und Ergänzungen zum klassischen, Morphologie-basierten Monitoring entwickelt. Mit Hilfe dieses „DNA-Barcodings“ können bewertungsrelevante BQEs in den Fließgewässern bereits erfasst und in Datenbanken hinterlegt werden. Mit der Weiterentwicklung von Hochdurchsatzmethoden (sog. „DNA-Metabarcoding“) können anschließend – mit Rückgriff auf die Datenbank – ganze Artengemeinschaften auf einmal erfasst werden. Hierfür ist im Optimalfall nur noch eine Wasserprobe, auch eDNA (‘environmental DNA’; Umwelt-DNA) genannt, notwendig. Die in der Probe vorhandenen DNA-Moleküle der dort vorkommenden Organismen werden extrahiert, Markergene amplifiziert und sequenziert und ergeben nach der Daten-Prozessierung eine Identitätenliste der dort vorkommenden Organismen. Vorherige Studien haben das Potenzial des DNA-Metabarcodings bereits für die drei typischen biologischen Qualitätselemente (BQEs) “Fische”, “Phytobenthos” und “Makrozoobenthos” getestet. In vielen Fällen scheint die Verwendung DNA basierter Methoden sinnvoll und bereits möglich. Zur Nutzung von DNA-Metabarcoding als Erhebungsinstrument für behördliches Monitoring ist jedoch eine Standardisierung der Probennahme und eine Validierung der Robustheit der Methode, in Übereinstimmung mit den rechtlich verbindlichen Indikatoren, zwingend erforderlich. Dementsprechend besteht in Deutschland, wie auch international, Bedarf an großflächigen Pionierstudien zur Plausibilisierung, Interkalibrierung und Standardisierung von DNA-Metabarcoding im behördlichen Monitoring. Hierzu wurde das Projekt “GeDNA” (Gewässer eDNA im behördlichen Kontext) als Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zwischen der Universität Duisburg-Essen und dem Umweltbundesamt (UBA) initiiert. Das Projekt wird am Beispiel von drei Bundesländern (Nordrhein-Westfalen, Bayern und Sachsen) und vier Gewässertypen (5/9 und 14/15) die Anwendung der neuen Methoden prüfen und auf der Grundlage eines direkten Vergleichs DNA-basierter und klassischer Bewertungsmethoden für die BQEs Makrozoobenthos, Fische und Phytobenthos konkrete Empfehlungen für die behördliche Gewässerbeobachtung erarbeiten.