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Developing a pipeline for the non-destructive DNA extraction and sequencing of pinned historical insect specimens
Philipp Hummer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Zoologie
Betreuer*in
Robert Kofler
DOI
10.25365/thesis.78426
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21389.02905.440150-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In den letzten Jahren hat sich das Sequenzieren von Exemplaren aus naturhistorischen Sammlungen – sogenanntes „Museomics“ – stark verbessert. Mit solchen Daten von 200 Jahre alten Exemplaren von Drosophila melanogaster konnten Scarpa et al. (2024) historische Invasionen von Transposable Elements (TEs) entdecken. Insgesamt wurden damit in D. melanogaster elf Invasionen in den letzten 200 Jahren gefunden, welche direkt zu einer Zunahme der Genomgröße zwischen 0.8 - 0.91% geführt haben (Pianezza et al. 2024b). So eine hohe Rate an Invasionen ist dabei aufgrund von dem, was man über den TE-Inhalt im Genom von D. melanogaster weiß, höchst ungewöhnlich und muss gemessen an der breiteren evolutionären Geschichte der dieser Art inflationär hoch sein. Pianezza et al. (2024b) vermuten daher, dass dies mit menschlicher Aktivität zusammenhängt. Im Besonderen könnte dies am globalen Handel liegen, da D. melanogaster ein menschlicher Kommensale ist und so in jüngere Vergangenheit in sekundären Kontakt mit anderen Drosophilidae gebracht wurde, wie z.B. der neotropischen D. willistoni. Sollte sich diese Hypothese bewahrheiten, dann würde man auch bei andere Insektenarten – besonders bei denen die kürzlich Kosmopoliten wurden – eine ähnlich angestiegene Rate von kürzlicher TE-Invasionen erwarten. Um diese Hypothese zu überprüfen, muss man die Genome von historischen Exemplaren von unterschiedlichen Arten sequenzieren und folgend analysieren. Aus diesem Grund war es notwendig, ein Protokoll für die nicht-destruktive Extraktion von DNA zu entwickeln, welche nicht nur einen ausreichenden Ertrag erzielt, um das gesamte Genom abzudecken, sondern auch möglichst wenige physische Veränderungen bei dem Exemplar hervorruft, sodass jenes weiterhin in einer naturhistorischen Sammlung erhalten werden kann. Durch eine Vielzahl an experimentellen Extraktionen an “frischen” und historischen Exemplaren – welche sich größtenteils auf Drosophilidae und Schaben konzentrierten – habe ich ein solches Protokoll entwickelt, welches sich außerdem an die Größen unterschiedlicher Taxa anpassen lässt. Ein Novum des Protokolls liegt dabei bei dem Einsatz von “Haltestrukturen”, welche die physische Sicherheit des Exemplars während der Lysis und den Waschschritten garantieren sollen. Durch den Einsatz dieser waren die physischen Veränderungen sehr klein, was ein hohes Vertrauen in die Sicherheit des Prozederes für die Exemplare erlaubt. Die zweite Neuheit ist der Einsatz von carrier RNA, um den Ertrag bei niedrigen Konzentrationen von DNA zu erhöhen. Diese Arbeit ist dabei – soweit mir bekannt – der erste Versuch diese bei Anwendungen mit „alter DNA“ zu testen. Obwohl die erzielten Ergebnisse noch keine eindeutige Antwort liefern, sind sie bereits sehr positiv und deuten darauf hin, dass carrier RNA zukünftig Anwendung in „alter DNA“ finden wird. Desweiteren ist es mir gelungen, hochqualitative „whole-genome“-Sequenzdaten von drei 150 Jahre alten Individuen der Deutschen Schabe Blattella germanica zu generieren. Aktuell konnte dies leider aufgrund der unzureichenden Qualität des aktuell besten Referenzgenoms dieser Art noch keine Antwort auf die Frage liefern, ob TE-Invasionen stattgefunden haben. Nichtsdestotrotz sind diese Daten eine wertvolle Ressource, um die jüngere evolutionäre Geschichte und Selbstdomestikation von Blattella germanica zu erforschen, wofür sie auch noch verwendet werden.
Abstract
(Englisch)
During the last few years, the sequencing of specimens from natural history collections, so called “museomics”, has improved considerably. Such data from 200-year-old Drosophila melanogaster specimens has allowed Scarpa et al. (2024) to detect historical transposable element (TE) invasions. In total, eleven TE invasions in 200 years have been discovered in D. melanogaster, which have directly led to an increase in genome size of 0.8 - 0.91% (Pianezza et al. 2024b). Given what is known about the TE content of the D. melanogaster genome, such a high rate of invasions during this time is unexpected and must be inflated relative to the species´ broader evolutionary history. Pianezza et al. (2024b) hypothesize that this is linked to human activity, specifically global trade, as D. melanogaster is a human commensal with a cosmopolitan range that has recently been brought into secondary contact with other drosophilids, e.g., the neotropical D. willistoni. If this hypothesis holds, we expect that other insect species – specifically those who have recently become cosmopolitan – may also have an inflated rate of recent TE invasions. Testing this hypothesis requires the sequencing and subsequent analysis of the genomes of historical specimens from a range of different species. For this purpose, it was necessary to develop a protocol for non-destructive DNA extraction that not only captures enough DNA for whole genome sequencing but also causes only minimal physical changes to the specimens, so that they can continue to be preserved in natural history collections. Through many experimental extractions on “fresh” and historical insect specimens – focusing mostly on drosophilids and cockroaches – I developed such a protocol which is also adaptable to different taxa sizes. One of the core novelties of the protocol lies in the introduction of “holding structures” that ensure the specimen´s physical safety during the multiple steps of cell lysis and washing. With the use of these, I can report only minor physical changes, which allows for high confidence in the treatment being safe for the specimens. The second core novelty consists of the use of carrier RNA for assisting the retrieval of low concentrations of DNA and – as far as I am aware – this thesis represents the first attempt to test its use in ancient DNA applications. While the obtained results do not yet provide a clear answer, they are very positive and indicate that carrier RNA might be beneficial in future ancient DNA work. Additionally, I have managed to obtain high quality whole-genome sequence data of three 150-year-old individuals of the German cockroach Blattella germanica. Unfortunately, this cannot yet provide a conclusive answer on whether TE invasions have occurred due to the insufficient quality of the species’ current best genome assembly. Still, this data is a valuable resource for uncovering the recent evolutionary history and self-domestication of B. germanica and will be used as such.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Museomik alte DNA Drosophila Blattella germanica Transposon Horizontaler Transfer Transposon Invasion
Schlagwörter
(Englisch)
Museomics ancient DNA Drosophila Blattella germanica Transposable elements Horizontal transfer Transposon Invasion
Autor*innen
Philipp Hummer
Haupttitel (Englisch)
Developing a pipeline for the non-destructive DNA extraction and sequencing of pinned historical insect specimens
Paralleltitel (Deutsch)
Entwickeln einer Pipeline zur nicht-destruktiven Extraktion von DNA und dem Sequenzieren von genadelten, historischen Insekten
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
52 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Robert Kofler
Klassifikation
42 Biologie > 42.03 Methoden und Techniken der Biologie
AC Nummer
AC17535959
Utheses ID
75937
Studienkennzahl
UA | 066 | 831 | |