{"id":6116,"date":"2014-11-07T16:34:11","date_gmt":"2014-11-07T15:34:11","guid":{"rendered":"http:\/\/www.h-its.org\/?p=6116"},"modified":"2019-03-22T11:52:37","modified_gmt":"2019-03-22T10:52:37","slug":"in-science-stammbaum-der-insekten-entschlusselt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.h-its.org\/de\/2014\/11\/07\/in-science-stammbaum-der-insekten-entschlusselt\/","title":{"rendered":"In „Science“: Stammbaum der Insekten entschl\u00fcsselt"},"content":{"rendered":"\n

Evolution der Insekten mittels  Gen-Analysen und Supercomputern nachvollzogen \/  Grundlage f\u00fcr Anwendungen in Landwirtschaft, Sch\u00e4dlingsbek\u00e4mpfung und Biotechnologie<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Mit rund einer Million Arten bilden Insekten die vielf\u00e4ltigste und erfolgreichste Tiergruppe. F\u00fcr den Menschen haben sie eine immense \u00f6kologische und wirtschaftliche Bedeutung, etwa als Best\u00e4uber von Nutzpflanzen oder \u00dcbertr\u00e4ger von Krankheiten. Im renommierten Fachjournal Science stellt ein internationales Forscherteam nun erstmals einen weitverzweigten Stammbaum der Insekten dar. Wissenschaftler des Heidelberger Instituts f\u00fcr Theoretische Studien (HITS) entwickelten daf\u00fcr neue Algorithmen und Software und analysierten die gewaltigen Datenmengen auf Supercomputern. Diese Grundlagenforschung kann zu wertvollen Anwendungen in Biotechnologie oder Landwirtschaft f\u00fchren.<\/em><\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr die Berechnung des Stammbaums setzten die Forscher des 1KITE Projektes<\/a> (1000 Insect Transcriptome Evolution) Supercomputer ein, die eine gro\u00dfe Menge an genetischen Daten analysierten und klassifizierten. Anhand von Genomdaten kann man den Zeitpunkt der Entstehung neuer Spezies im Stammbaum absch\u00e4tzen. Im 1KITE Projekt wurde diese \u201emolekulare Uhr\u201c anhand von Fossilien kalibriert, wodurch die Verl\u00e4sslichkeit der Altersangaben stark verbessert wird.<\/p>\n\n\n\n

\u201eBig Data\u201c in der Biologie: Neue Algorithmen und Supercomputer<\/h2>\n\n\n\n

Der Plan, gro\u00dfe Mengen genetischer Daten zu bearbeiten, stellte die Bioinformatiker vor gro\u00dfe Herausforderungen. \u201eIn der Planungsphase des 1KITE Projektes wurde klar, dass die verf\u00fcgbare Software mit der riesigen Datenmenge \u00fcberfordert sein w\u00fcrde. Wir mussten daher bis zur Verf\u00fcgbarkeit der Gendaten neue L\u00f6sungen finden, um solche Analysen auf H\u00f6chstleistungsrechnern durchzuf\u00fchren\u201c, schildert Alexandros Stamatakis, Leiter der Forschungsgruppe \u201eScientific Computing\u201c am Heidelberger Institut f\u00fcr Theoretische Studien (HITS) und Professor f\u00fcr High Performance Computing in den Lebenswissenschaften am Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie (KIT).<\/p>\n\n\n\n

\"Die<\/a>
Die Florfliege Chrysopa perla kommt in ganz Europa vor (Foto: Oliver Niehuis ZFMK Bonn).<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Eine L\u00f6sung bestand darin, die Algorithmen so zu ver\u00e4ndern, dass unwahrscheinliche Evolutionsszenarien von vornherein ausgeschlossen wurden und somit nicht berechnet werden mussten. So war ausreichend Rechenkapazit\u00e4t verf\u00fcgbar, um unter den Trilliarden (10hoch21) m\u00f6glichen Stammb\u00e4umen einen zu finden, welcher die Evolution der Insekten aufgrund der genetischen Eingabedaten plausibel erkl\u00e4rt. \u201eDie gesamte Rechenkapazit\u00e4t auf der Erde w\u00fcrde sonst nicht ausreichen, um den Baum einer artenreichen Tiergruppe wie der Insekten zu berechnen\u201c, erkl\u00e4rt Stamatakis. Die angepasste Software f\u00fcr 1KITE wurde am H\u00f6chstleistungsrechner „SuperMUC“ am Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften ausgef\u00fchrt und der Stammbaum innerhalb weniger Monate berechnet. Stamatakis\u00b4 Methoden kann man f\u00fcr alle Lebewesen nutzen, etwa auch um den Ursprung und die Verbreitung von Viren und Bakterien nachzuvollziehen.
Neben dem Stammbaum an sich stellt 1KITE erstmals umfassende genomische Daten f\u00fcr Insekten der Allgemeinheit zur Verf\u00fcgung. Anhand dieser Daten ist es nun m\u00f6glich, zum Beispiel Stoffwechselwege unterschiedlicher Insektenarten zu vergleichen und dieses Wissen dann in der Sch\u00e4dlingsbek\u00e4mpfung einzusetzen. Mit der Ver\u00f6ffentlichung der Stammbaumrekonstruktion der ersten 144 Spezies, alle Insektenordnungen repr\u00e4sentierenden Arten, stellt 1KITE auch neue Methoden zur Bearbeitung und Analyse dieser Datenmassen frei zur Verf\u00fcgung. Damit wurde der Grundstein f\u00fcr die Analyse noch wesentlich umfangreicherer Daten gelegt.<\/p>\n\n\n\n

Eine beeindruckende Erfolgsgeschichte<\/h2>\n\n\n\n

Insekten traten schon vor rund 480 Millionen Jahren erstmals auf, zeitgleich mit den ersten Landpflanzen. Bereits 100 Millionen Jahre sp\u00e4ter eroberten Insekten als erste Tiere den Luftraum und blieben f\u00fcr fast 200 Millionen Jahre die alleinigen Herrscher der L\u00fcfte. Viele der heute noch lebenden Insektengruppen entstanden schon im Erdaltertum. Auch die Evolution von Insekten mit einem Puppenstadium in ihrer Entwicklung begann bereits vor etwa 350 Millionen Jahren. Insekten erreichten damit ihre erste Bl\u00fctezeit lange vor dem Auftreten der Dinosaurier. Die enorme Entwicklung der Artenvielfalt der Insekten erfolgte aber erst in der Kreidezeit in enger Verbindung mit der Evolution der Bl\u00fctenpflanzen.<\/p>\n\n\n\n

\u201eDas 1KITE Projekt ist ein Lehrst\u00fcck internationaler Kooperation\u201c, erkl\u00e4rt Bernhard Misof vom Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig \u2013 Leibniz-Institut f\u00fcr Biodiversit\u00e4t der Tiere (ZFMK) in Bonn, der das dreij\u00e4hrige Projekt gemeinsam mit Karl M. Kjer (Rutgers – State University of New Jersey, USA) und Xin  Zhou (Bejing Genomics Institute, China) leitete. Die Rekonstruktion des Stammbaumes der Insekten war durch die Zusammenarbeit von rund 100 Experten f\u00fcr molekulare Biologie, Morphologie, Pal\u00e4ontologie, Taxonomie, Embryologie und Bioinformatik m\u00f6glich. Durch den konsequenten Einsatz von Hochleistungsrechnern war es m\u00f6glich, in den riesigen biologischen Datenmengen komplexe Zusammenh\u00e4nge aufzuzeigen. Aus der Pilotphase von 1KITE werden zahlreiche und breitgef\u00e4cherte internationale Folgeprojekte hervorgehen, mit gro\u00dfen Synergieeffekten und langfristigen Kooperationen zwischen Forschern und Institutionen.<\/p>\n\n\n\n

Die Publikation: <\/h2>\n\n\n\n

\u201ePhylogenomics resolves the timing and pattern of insect evolution\u201c<\/em>
(AutorInnen: Bernhard Misof, Shanlin Liu, Karen Meusemann, Ralph S. Peters, Alexander Donath, Christoph Mayer, Paul B. Frandsen, Jessica Ware, Tom\u00e1 Flouri, Rolf G. Beutel, Oliver Niehuis, Malte Petersen, Fernando Izquierdo-Carrasco, Torsten Wappler, Jes Rust, Andre J. Aberer, Ulrike Asp\u00f6ck, Horst Asp\u00f6ck, Daniela Bartel, Alexander Blanke, Simon Berger, Alexander B\u00f6hm, Thomas Buckley, Brett Calcott, Junqing Chen, Frank Friedrich, Makiko Fukui, Mari Fujita, Carola Greve, Peter Grobe, Shengchang Gu, Ying Huang, Lars S. Jermiin, Akito Y. Kawahara, Lars Krogmann, Martin Kubiak, Robert Lanfear, Harald Letsch, Yiyuan Li, Zhenyu Li, Jiguang Li, Haorong Lu, Ryuichiro Machida, Yuta Mashimo, Pashalia Kapli, Duane D. McKenna, Guanliang Meng, Yasutaka Nakagaki, Jos\u00e9 Luis Navarrete-Heredia, Michael Ott, Yanxiang Ou, G\u00fcnther Pass, Lars Podsiadlowski, Hans Pohl, Bj\u00f6rn M. von Reumont, Kai Sch\u00fctte, Kaoru Sekiya, Shota Shimizu, Adam Slipinski, Alexandros Stamatakis, Wenhui Song, Xu Su, Nikolaus U. Szucsich, Meihua Tan, Xuemei Tan, Min Tang, Jingbo Tang, Gerald Timelthaler, Shigekazu Tomizuka, Michelle Trautwein, Xiaoli Tong, Toshiki Uchifune, Manfred G. Walzl, Brian M. Wiegmann, Jeanne Wilbrandt, Benjamin Wipfler, Thomas K. F. Wong, Qiong Wu, Gengxiong Wu, Yinlong Xie, Shenzhou Yang, Qing Yang, David K. Yeates, Kazunori Yoshizawa, Qing Zhang, Rui Zhang, Wenwei Zhang, Yunhui Zhang, Jing Zhao, Chengran Zhou, Lili Zhou, Tanja Ziesmann, Shijie Zou, Yingrui Li, Xun Xu, Yong Zhang, Huanming Yang, Jian Wang, Jun Wang, Karl M. Kjer, Xin Zhou) wurde am 7. November in der Fachzeitschrift \u201eScience\u201c ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n\n\n\n

Pressekontakt:<\/h2>\n\n\n\n

Dr. Peter Saueressig
Head of Communications
Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS)
Phone: +49-6221-533245
Peter.saueressig@h-its.org
www.h-its.org
Twitter: @HITStudies<\/p>\n\n\n\n

Wissenschaftlicher Kontakt:<\/h2>\n\n\n\n

Prof. Dr. Alexandros Stamatakis
Group Leader
Scientific Computing
HITS gGmbH
Schloss-Wolfsbrunnenweg 35
69118 Heidelberg
Telefon: +49 6221 \u2013 533 \u2013 240
Fax: +49 6221 \u2013 533 \u2013 298
Email: alexandros.stamatakis@h-its.org<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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