Comparison of ITS nrDNA and alternative markers for fungal metabarcoding in environmental samples

Abstract

Studium diverzity hub může ve výsledku vést k mnoha významným objevům a závěrům. Molekulární genetika a konkrétně metody masivně paralelního sekvenování se používají ke studiu ekologie a diverzity hub čím dál tím častěji. Využívá se k tomu krátkých úseků DNA označovaných jako barcode markery. Nejčastěji používaným markerem je úsek jaderné ribozomální DNA zvaný ITS (Internal Transcribed Spacer). Vyskytuje se v genomu ve formě rozsáhlých repetic až 200 kopií, což značně zjednodušuje jeho namnožení z environmentálních vzorků. Zároveň to ale vzbuzuje také určité obavy kvůli výskytu vnitrodruhové a vnitrogenomové variability. Obě tyto variability mohou být zdrojem silného nadhodnocování odhadů diverzity. Použití alternativních, nízko-kopiových markerů, může zmíněný problém částečně vyřešit. V této studii byly porovnány tradičně používané markery ITS1 a ITS2 s protein-kódujícími geny EF-1α a RPB2. Smícháním genomových DNA druhů z různých fylogenetických skupin bylo vytvořeno in vitro umělé společenstvo. To bylo následně sekvenováno pro všechny zmíněné markery a data byla vyhodnocena dle postupů běžně používaných v environmentálních studiích. Výsledky jednoznačně vyzdvihují ITS2 jako nejvhodnější marker pro studium environmentálních vzorků. Průměrný koeficient nadhodnocení lze očekávat kolem dvou pro ITS1, ITS2,...

The study of fungal diversity may lead to many fundamental discoveries and conclusions. Molecular genetics, and particularly high throughput sequencing methods using short DNA fragments as barcodes, has recently experienced a boom. The most frequently used marker for fungal research is the partial region of nuclear ribosomal DNA called ITS (Internal Transcribed Spacer). It occurs in the form of tandem repetitions of up to 200 copies. This fact greatly simplifies its amplification from the environment but also introduces some negatives. One of them can be an existence of intragenomic and intraspecific variability which confounds diversity estimates by exaggerating the real number of species. Using alternative low-copy markers can easily prevent these problems. In this study EF-1α and RPB2 protein- coding genes were compared with traditionally used ITS1 and ITS2 markers. An artificial mock community was created by blending genomic DNA of different fungal lineages. The community was sequenced for all markers and the data were processed according to guidelines commonly used in environmental studies. The results show that ITS2 is unequivocally a more suitable marker for environmental studies than other compared markers. The average coefficient of overestimation was deemed to be approximately two for ITS1, ITS2,...