In „Science“: Stammbaum der Insekten entschlüsselt

Evolution der Insekten mittels  Gen-Analysen und Supercomputern nachvollzogen /  Grundlage für Anwendungen in Landwirtschaft, Schädlingsbekämpfung und Biotechnologie

Mit rund einer Million Arten bilden Insekten die vielfältigste und erfolgreichste Tiergruppe. Für den Menschen haben sie eine immense ökologische und wirtschaftliche Bedeutung, etwa als Bestäuber von Nutzpflanzen oder Überträger von Krankheiten. Im renommierten Fachjournal Science stellt ein internationales Forscherteam nun erstmals einen weitverzweigten Stammbaum der Insekten dar. Wissenschaftler des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS) entwickelten dafür neue Algorithmen und Software und analysierten die gewaltigen Datenmengen auf Supercomputern. Diese Grundlagenforschung kann zu wertvollen Anwendungen in Biotechnologie oder Landwirtschaft führen.

Für die Berechnung des Stammbaums setzten die Forscher des 1KITE Projektes (1000 Insect Transcriptome Evolution) Supercomputer ein, die eine große Menge an genetischen Daten analysierten und klassifizierten. Anhand von Genomdaten kann man den Zeitpunkt der Entstehung neuer Spezies im Stammbaum abschätzen. Im 1KITE Projekt wurde diese „molekulare Uhr“ anhand von Fossilien kalibriert, wodurch die Verlässlichkeit der Altersangaben stark verbessert wird.

„Big Data“ in der Biologie: Neue Algorithmen und Supercomputer

Der Plan, große Mengen genetischer Daten zu bearbeiten, stellte die Bioinformatiker vor große Herausforderungen. „In der Planungsphase des 1KITE Projektes wurde klar, dass die verfügbare Software mit der riesigen Datenmenge überfordert sein würde. Wir mussten daher bis zur Verfügbarkeit der Gendaten neue Lösungen finden, um solche Analysen auf Höchstleistungsrechnern durchzuführen“, schildert Alexandros Stamatakis, Leiter der Forschungsgruppe „Scientific Computing“ am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) und Professor für High Performance Computing in den Lebenswissenschaften am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Eine Lösung bestand darin, die Algorithmen so zu verändern, dass unwahrscheinliche Evolutionsszenarien von vornherein ausgeschlossen wurden und somit nicht berechnet werden mussten. So war ausreichend Rechenkapazität verfügbar, um unter den Trilliarden (10hoch21) möglichen Stammbäumen einen zu finden, welcher die Evolution der Insekten aufgrund der genetischen Eingabedaten plausibel erklärt. „Die gesamte Rechenkapazität auf der Erde würde sonst nicht ausreichen, um den Baum einer artenreichen Tiergruppe wie der Insekten zu berechnen“, erklärt Stamatakis. Die angepasste Software für 1KITE wurde am Höchstleistungsrechner „SuperMUC“ am Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften ausgeführt und der Stammbaum innerhalb weniger Monate berechnet. Stamatakis´ Methoden kann man für 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 für Insekten der Allgemeinheit zur Verfügung. Anhand dieser Daten ist es nun möglich, zum Beispiel Stoffwechselwege unterschiedlicher Insektenarten zu vergleichen und dieses Wissen dann in der Schädlingsbekämpfung einzusetzen. Mit der Veröffentlichung der Stammbaumrekonstruktion der ersten 144 Spezies, alle Insektenordnungen repräsentierenden Arten, stellt 1KITE auch neue Methoden zur Bearbeitung und Analyse dieser Datenmassen frei zur Verfügung. Damit wurde der Grundstein für die Analyse noch wesentlich umfangreicherer Daten gelegt.

Eine beeindruckende Erfolgsgeschichte

Insekten traten schon vor rund 480 Millionen Jahren erstmals auf, zeitgleich mit den ersten Landpflanzen. Bereits 100 Millionen Jahre später eroberten Insekten als erste Tiere den Luftraum und blieben für fast 200 Millionen Jahre die alleinigen Herrscher der Lüfte. 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 Blütezeit 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 Blütenpflanzen.

„Das 1KITE Projekt ist ein Lehrstück internationaler Kooperation“, erklärt Bernhard Misof vom Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere (ZFMK) in Bonn, der das dreijährige 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 für molekulare Biologie, Morphologie, Paläontologie, Taxonomie, Embryologie und Bioinformatik möglich. Durch den konsequenten Einsatz von Hochleistungsrechnern war es möglich, in den riesigen biologischen Datenmengen komplexe Zusammenhänge aufzuzeigen. Aus der Pilotphase von 1KITE werden zahlreiche und breitgefächerte internationale Folgeprojekte hervorgehen, mit großen Synergieeffekten und langfristigen Kooperationen zwischen Forschern und Institutionen.

Die Publikation: 

„Phylogenomics resolves the timing and pattern of insect evolution“
(AutorInnen: Bernhard Misof, Shanlin Liu, Karen Meusemann, Ralph S. Peters, Alexander Donath, Christoph Mayer, Paul B. Frandsen, Jessica Ware, Tomá Flouri, Rolf G. Beutel, Oliver Niehuis, Malte Petersen, Fernando Izquierdo-Carrasco, Torsten Wappler, Jes Rust, Andre J. Aberer, Ulrike Aspöck, Horst Aspöck, Daniela Bartel, Alexander Blanke, Simon Berger, Alexander Böhm, 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, José Luis Navarrete-Heredia, Michael Ott, Yanxiang Ou, Günther Pass, Lars Podsiadlowski, Hans Pohl, Björn M. von Reumont, Kai Schütte, 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 „Science“ veröffentlicht.

Pressekontakt:

Dr. Peter Saueressig
Head of Communications
Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS)
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