Quantifizierung von Effekten multipler landwirtschaftlicher Stressoren auf Fließgewässer-Wirbellose und Ökosystemfunktionen über genomische Methoden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurden die Auswirkungen eines Pestizids und Feinsediment auf Wirbellose in Fließgewässern und assoziierte Ökosystemfunktionen mit Hilfe genomischer Verfahren und ökologischer Experimente untersucht. Mit dem gewählten Ansatz zielten wir darauf ab, die Auswirkungen auf der Ebene einzelner Individuen und Arten durch differentielle Genexpressionsanalysen (RNAseq), auf Ebene der Lebensgemeinschaften über DNA- Metabarcoding und auf funktioneller Ebene durch die Untersuchung des Kohlenstoffabbaus mittels funktioneller Assays zu untersuchen. Die RNA-Sequenzierung wies artenspezifische Antworten gegenüber dem Pestizid Chlorantraniliprol nach, wobei die Auswirkungen auf die untersuchten Insektenarten stärker waren als auf die untersuchten Flohkrebse. Die RNA-Analyse zeigte auch, dass die Exposition gegenüber Stressoren im Allgemeinen zu einer Unterdrückung des Stoffwechsels bei den Wirbellosen Gewässerorganismen führte (metabolic depression), was wahrscheinlich die Ressourcen-Reallokation zur Bewältigung des Umweltstresses widerspiegelt. Es wurde festgestellt, dass biotische Interaktionen die Fähigkeit der Organismen, mit Umweltstress umzugehen, auf transkriptomischer Ebene beeinträchtigen. Methodentests auf Gemeinschaftsebene ergaben, dass ein quantitatives DNA-Metabarcoding derzeit nicht möglich ist, was den Bedarf an alternativen quantitativen Bewertungsansätzen unterstreicht. Was die funktionellen Veränderungen betrifft, so konnte das Projekt zeigen, dass das Insektizid Chlorantraniliprol und Feinsediment den Abbau von organischem Material über verschiedene Wege limitieren und sowohl die Wirbellosendichte als auch die mikrobielle Aktivität beeinflussen. Die Forschungsarbeiten zeigen, wie wichtig es ist, die Wechselwirkungen zwischen abiotischen und biotischen Stressoren zu berücksichtigen, wenn man die Auswirkungen auf die Umwelt bewerten will und belegen das Potenzial kombinierter genomischer Analysen mit ökologischen Experimenten. Das Projekt lieferte 11 international begutachtete Artikel, drei entwickelte Softwarepakete und mehrere offen-zugängliche Laborprotokolle.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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BOLDigger – a Python package to identify and organise sequences with the Barcode of Life Data systems. Metabarcoding and Metagenomics, 4.
Buchner, Dominik & Leese, Florian
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Invited talk for M.V. Brasseur at the Bayrische Landesanstalt für Landwirtschaft (AK Biodiversität): Insektizideffekte in Flussinsekten.
M.V. Brasseur
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Cooking small and large portions of “biodiversity‐soup”: Miniaturized DNA metabarcoding PCRs perform as good as large‐volume PCRs. Ecology and Evolution, 11(13), 9092-9099.
Buchner, Dominik; Beermann, Arne J.; Leese, Florian & Weiss, Martina
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Wet grinding of invertebrate bulk samples – a scalable and cost-efficient protocol for metabarcoding and metagenomics. Metabarcoding and Metagenomics, 5.
Buchner, Dominik; Haase, Peter & Leese, Florian
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Annual meeting of the German Society of Limnology (DGL) 2022: Multiple stressor effects of deposited fine sediment, increased salinity and reduced flow velocity on the transcriptomic landscape of G. fossarum
M.V. Brasseur
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APSCALE: advanced pipeline for simple yet comprehensive analyses of DNA metabarcoding data. Bioinformatics, 38(20), 4817-4819.
Buchner, Dominik; Macher, Till-Hendrik & Leese, Florian
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Impacts of multiple anthropogenic stressors on the transcriptional response of Gammarus fossarum in a mesocosm field experiment. BMC Genomics, 23(1).
Brasseur, Marie V.; Beermann, Arne J.; Elbrecht, Vasco; Grabner, Daniel; Peinert-Voss, Bianca; Salis, Romana; Weiss, Martina; Mayer, Christoph & Leese, Florian
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Invited talk for International Barcode of Life Webinar (iBOL). 2022. Studying the impacts of multiple stressors on freshwater biodiversity with (Meta)barcoding.
F. Leese
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Annual conference of the German Ecological Society (GfÖ) 2023. Impacts of multiple anthropogenic stressors on the transcriptional response of Gammarus fossarum in a mesocosm field experiment.
M.V. Brasseur
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Annual meeting of the German Society of Limnology (DGL). 2023. Multiple stressor effects in freshwater invertebrates – lessons learned from functional genomics.
M.V. Brasseur
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DNA-basierte Biodiversitätsanalysen im Natur- und Umweltschutz: Welche Optionen haben wir für eine Standardisierung? : eine Handlungsempfehlung aus Forschung & Praxis. BfN/VDI
Leese, F., Woppowa, L., Bálint, M., Höss, S., Krehenwinkel, H., Lötters, S., Meissner, K., Nowak, C., Rausch, P., Rduch, V., Rulik, B., Weigand, A. M., Zimmermann, J., Koschorrek, J. & Züghart, W.
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MitoGeneExtractor : Efficient extraction of mitochondrial genes from next‐generation sequencing libraries. Methods in Ecology and Evolution, 14(4), 1017-1024.
Brasseur, Marie V.; Astrin, Jonas J.; Geiger, Matthias F. & Mayer, Christoph
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Multiple stressor effects of insecticide exposure and increased fine sediment deposition on the gene expression profiles of two freshwater invertebrate species. Environmental Sciences Europe, 35(1).
Brasseur, Marie V.; Buchner, Dominik; Mack, Leoni; Schreiner, Verena C.; Schäfer, Ralf B.; Leese, Florian & Mayer, Christoph
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Predicting environmental stressor levels with machine learning: a comparison between amplicon sequencing, metagenomics, and total RNA sequencing based on taxonomically assigned data. Frontiers in Microbiology, 14.
Hempel, Christopher A.; Buchner, Dominik; Mack, Leoni; Brasseur, Marie V.; Tulpan, Dan; Leese, Florian & Steinke, Dirk
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Transcriptomic sequencing data illuminate insecticide-induced physiological stress mechanisms in aquatic non-target invertebrates. Environmental Pollution, 335, 122306.
Brasseur, Marie V.; Leese, Florian; Schäfer, Ralf B.; Schreiner, Verena C. & Mayer, Christoph
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Fine sediment and the insecticide chlorantraniliprole inhibit organic‐matter decomposition in streams through different pathways. Freshwater Biology, 69(3), 365-375.
Mack, Leoni; Buchner, Dominik; Brasseur, Marie V.; Kaijser, Willem; Leese, Florian; Piggott, Jeremy J.; Tiegs, Scott D. & Hering, Daniel
