La grande diversité d’insectes et la quantité de spécimens recueillis lors de l’échantillonnage constituent les plus grands défis de la systématique des insectes. Le tri des échantillons au niveau des espèces est nécessaire avant qu’ils puissent être utilisés pour des enquêtes sur les modèles de biodiversité. En raison de l’obstacle taxonomique, le manque d’expertise taxonomique, de nombreuses études sur la diversité des insectes classe les spécimens en Unités Morphologiques Opérationnelles (MorphOTUs), aussi appelées morpho-espèces, en désignant les groupes définis subjectivement en fonction de caractéristiques morphologiques évidentes. Cependant, il est long et douteux de définir avec précision les limites des espèces en se fondant sur les MorphOTUs, surtout dans les groupes où il y a de minuscules insectes et une grande similarité au niveau des espèces, comme chez les Hyménoptères. Le codage à barres de l’ADN, une approche taxonomique discriminatoire qui utilise des séquences d’ADN, a accéléré la classification taxonomique et peut être une approche alternative aux MorphOTUs. Cependant, il est crucial d’utiliser une stratégie fiable et économique de codage à barres ADN pour traiter un grand nombre d’échantillons. En outre, le codage à barres d’ADN devrait fonctionner avec les espèces problématiques dans l’entomologie moléculaire comme on l'observe parfois avec les hyménoptères. Afin de mettre en œuvre une évaluation rapide de la biodiversité des Hyménoptères, optimiser les de étapes de barcodage d`ADN (extraction d’ADN, amplification par PCR et séquençage) était le premier objectif de ce projet de recherche. On a testé et optimisé une extraction d’ADN arrivant à une méthode coûtante 0,20 dollars par spécimen. On a validé la performance adéquate des mini-codes à barres d’ADN, réduits en taille à 313bp, pour établir une classification d’Unités Taxonomiques Opérationnelles Moléculaires (MOTUs) comparable à celle du codage à barres d’ADN couramment utilisé, de longueur de 658bp. On a adopté ce protocole optimisé pour le codage à barres de 517 spécimens d’Hyménoptères échantillonnés par des pièges aspirateurs situés dans la forêt laurentienne de l’Est du Canada. Avec le séquençage multiplexé à haut débit Illumina, impliquant des amplicons étiquetés, on a obtenu des mini-codes à barres pour 88% des spécimens. Le coût et le temps nécessaires pour générer des données MOTU, grâce à notre approche de codage à barres d’ADN, étaient environ la moitié de celui de la classification morphologique en MorphOTUs. Le deuxième objectif de ma recherche était de comparer l’efficacité du tri morphologique des MorphOTUs avec l’identification moléculaire et la délimitation par MOTUs. On a démontré iii une forte congruence entre l’identification morphologique et moléculaire au niveau taxonomique de la famille dansla base de données Barcode of Life (BOLD) et GenBank (93 %), alors que seulement 18 % des mini-codes à barres ont été attribués à des identifications plus précises (genre ou espèce). La délimitation moléculaire s’est faite avec quatre méthodes de regroupement différentes (basée sur la distance : Découverte automatique de l’écart de codes à barres (ABGD) et Assemblage des espèces par partitionnement automatique (ASAP) ; basée sur un dendrogramme : Coalescente mixte généralisée du yule (GMYC) et Processus bayésien de l’arbre de poisson (bPTP)). En générale, les méthodes moléculaires ont plus que doublé la diversité estimée des MorphOTUs des Hyménoptères. Les MOTUs étaient en grande partie incompatibles avec les MorphOTUs (ratio d’appariement <0,35). Les méthodes basées sur la distance ont donné des résultats plus conformes au tri morphologique que les méthodes basées sur les arbres, en particulier dans la superfamille des Chalcidoidea. Compte tenu de la comparaison entre le coût et le temps des méthodes de classification moléculaire et morphologique, nos résultats suggèrent que le codage à barres mini-ADN pour estimer la diversité des espèces d’Hyménoptères est plus économique que le tri par MorphOTU. Cependant, bien que les méthodes MorphOTU et MOTU aient donné de nombres unités taxonomiques différentes, les analyses de la diversité utilisées actuellement tiennent compte de l’abondance et d’autres paramètres. On n’a pas évalué si les MorphOTUs et les protocoles d’entente donneraient des résultats suffisamment équivalents dans la recherche réelle sur les diversités α et β, c’est-à-dire pour évaluer s’ils pouvaient tout de même tous deux être utiles. / The great insect diversity and the quantity of insect specimens collected during sampling constitute the biggest challenges facing insect systematics. Sorting samples to the species level is necessary before they can be used for investigations of biodiversity patterns. Because of the Taxonomic impediment, the lack of taxonomic expertise, many insect diversity studies sort specimens to Morphological Operational Taxonomic Units (MorphOTUs), also known as morphospecies, classifying subjectively defined groups based on obvious morphological features. However, accurately defining species boundaries based on MorphOTUs is time consuming and questionable, especially in groups with tiny insects and great species-level similarity such as Hymenoptera. DNA barcoding, a taxonomic discriminatory approach that employs DNA sequences, has accelerated taxonomic classification and may be an alternative approach to MorphOTUs. However, it is crucial to use a reliable and economic DNA barcoding strategy to deal with a large number of samples. Additionally, DNA barcoding should work with species problematic in molecular entomology as is sometimes observed with Hymenoptera. In order to implement a rapid biodiversity assessment of Hymenoptera, optimizing the DNA barcoding steps (DNA extraction, PCR amplification, and DNA sequencing) was the first objective of this present research. We tested and optimized a DNA extraction arriving at a method costing 0.20CAD per specimen. We validated the adequate performance of 313bp mini barcodes for establishing Molecular Operational Taxonomic Units (MOTUs) classification, comparable to that of the commonly used full-length DNA barcode of 658bp. We adopted this optimized protocol to barcode 517 Hymenoptera specimens sampled with suction traps located in the Laurentian Forest of eastern Canada. With multiplexed Illumina high throughput sequencing of tagged amplicons, we obtained mini-barcodes for 88% of specimens. The cost and time taken to generate MOTU data through our DNA barcoding approach was approximately twice that of morphological identification for MorphOTU designation. The second objective of my research was to compare the efficacy of morphological sorting of MorphOTUs with the molecular identification and delimitation of MOTUs. We found a high taxonomic congruence between morphological and molecular identification at family level in Barcode of Life (BOLD) and GenBank databases (93%), whereas only 18% of mini-barcode data was assigned to more precise identification (genus or species). Molecular delimitation based on four different clustering methods (distance-based: Automatic Barcode Gap Discovery v (ABGD) and Assemble Species by Automatic Partitioning (ASAP); tree-based: Generalized Mixed Yule Coalescent (GMYC) and Bayesian Poisson Tree Processes (bPTP)) resulted in more than doubling the estimated diversity of Hymenoptera as compared to MorphOTUs. The MOTUs were largely incongruent with MorphOTUs (match ratio <0.35). Distance-based methods gave results more congruent with morphological sorting than tree-based methods, especially within the Chalcidoidea superfamily. Taking into account the comparison between the cost and time of molecular and morphological classification methods, our results suggest that mini-DNA barcoding to estimate a proxy for Hymenoptera species diversity is more economical than MorphOTU sorting. However, although MorphOTU and MOTU methods gave different numbers of species, actual diversity analyses take into account abundance and other parameters. We did not evaluate whether MorphOTUs and MOTUs would yield sufficiently equivalent results in actual α- and β diversity research: that is, they may yet both be fit for purpose

<p>This work investigates the assignment of unknown sequences to their species of origin. In particular, I examine four questions: Is existing (GenBank) data reliable for accurate species identification? Does a segregating sites algorithm make accurate species identifications and how does it compare to another Bayesian method? Does broad sampling of reference species improve the information content of reference data? And does an extended model (of the theory of segregating sites) describe the genetic variation in a set of sequences (of a species or population) better? Though we did not find unusually similar between-species sequences in GenBank, there was evidence of unusually divergent within-species sequences, suggesting that caution and a firm understanding of GenBank species should be exercised before utilizing GenBank data. To address challenging identifications resulting from an overlap between within- and between species variation, we introduced a Bayesian treeless statistical assignment method that makes use of segregating sites. Assignments with simulated and <em>Drosophila</em> (fruit fly) sequences show that this method can provide fast, high probability assignments for recently diverged species. To address reference sequences with low information content, the addition of even one broadly sampled reference sequence can increase the number of correct assignments. Finally, an extended theory of segregating sites generates more realistic probability estimates of the genetic variability of a set of sequences. Species are dynamic entities and this work will highlight ideas and methods to address dynamic genetic patterns in species.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Syftet med litteraturstudien är att sammanfatta vilken gensekvens som används vid genetisk barcoding av växter och hur väl metoden i fråga tillämpas i tre biologiska yrkesområden: dietanalyser i ekologin, analys av pollensporer i forensisk biologi samt analys av uråldrigt DNA (ancient DNA) i paleontologin. Vidare var det även av intresse att se hur genetisk barcoding kan användas i den gymnasiala undervisningen och hur väl den passar in med de svenska styrdokumenten för skolan. Hur elever har gynnats av den valda metoden samt vilka begränsningar som har uppstått har också berörts. Litteraturstudien baseras på vetenskapliga artiklar som har sökts fram med de nedan listade nyckelorden. Resultaten visar att en kombination av gensekvenser, däribland rbcL, matK, trnH-psbA och ITS, fungerar bäst vid identifiering av växter. I dagsläget är genetisk barcoding fortfarande i utvecklingsfasen, där metoden begränsas av antalet referenssekvenser i databaserna, vilket gör det svårt att utesluta morfologiska identifieringsmetoder i de tre yrkesområdena. Vid användning av barcoding i den gymnasiala undervisningen visar det sig att det stämmer väl överens med de svenska styrdokumenten och ökar elevers intresse för de naturvetenskapliga ämnena, då de kan bidra med värdefull forskning genom tillägg av referenssekvenser i databaserna. De största begränsningarna är att det blir ett stort arbetslass för läraren, att läraren i fråga måste vara bekväm med de olika laboratiska momenten och att skolan ska ha tillgång till nödvändig apparatur. / The purpose of the literature study is to conclude which gene sequences are being used in DNA barcoding on plants and how the method in question is being used in three different biological occupations: diet analysis in ecology, analysis of pollen in forensics and analysis of ancient DNA (aDNA) in paleontology. Further it was also of interest to study how DNA barcoding can be used in high school settings and how the method correlates with the Swedish curriculum. How pupils have benefited from the chosen method and what limitations have arisen have also been touched upon. This literature study is based on scientific articles that have been sought with the keywords listed below. The results show that a combination of gene sequences, including rbcL, matK, trnH-psbA and ITS, works best in plant identification. At present, genetic barcoding is still in the developmental phase, where the method is limited by the number of reference sequences in the databases, which makes it difficult to exclude morphological-based methods in the three occupational fields. When using barcoding in upper secondary education it turns out that it’s in good agreement with the Swedish curriculum and increases the students' interest in the scientific subjects, since they can contribute with genuine research when adding reference sequences in the databases. The main limitations are the workload for the teacher, the teacher in question must be comfortable with the different laboratory steps and that the school must have access to necessary equipment.

No description available.

Host specificity of tropical bark and ambrosia beetles was surveyed by rearing the beetles from 13 host trees in a lowland rainforest in Papua New Guinea. Ploeophagous bark beetles show narrow host specificity (usually family-level) typical for herbivorous insects, fungus-growing ambrosia beetles display almost no host fidelity. In both groups of species, the local diversity of plants is unlikely to have played a role in the clade diversification. The ambrosia symbiosis (scolytine beetles and fungi) is shown to be less specific than previously assumed, based on a discovery of new association between Scolytodes unipunctatus (genus of phloem feeders) and three unrelated groups of ambrosia fungi. The hypothesis that apparent polyphagy may conceal specialized populations within a species of a herbivore is tested for Homona mermerodes (Lepidoptera, Tortricidae). The haplotype diversity of the species show no congruence with host plants or geographic origin, confirming polyphagy of the species.

No description available.

No description available.

Cette thèse s'intéresse à la conception et le développement des techniques de bioinfor- matique qui peuvent faciliter l'utilisation de l'approche metabarcoding pour mesurer la diversité d'espèces. Le metabarcoding peut être utilisé avec le séquencage haut débit pour l'identification d'espèces multiples à partir d'un seul échantillon environnemental. La véritable force du metabarcoding réside dans l'utilisation de barcode marqueurs choisi pour une étude particulière et l'identification d'espèces ou des taxons peut être réalisé avec des marqueurs soigneusement conçu. Avec l'avancement des techniques haut débit de séquençage, une énorme quantité des données de séquences est produit qui contient un nombres substantiel des mutations. Ces mutations posent un grand problème pour les estimations correctes de la biodiversité et pour le d'assignation de taxon. Les trois problèmes majeurs dans le domaine de la bioinformatique que j'ai abordés dans cette thèse sont: i) évaluer la qualité d'une barcode marker , ii) concevoir des nouveaux région barcode et iii) d'analyser les données de séquençage pour traiter les erreurs et éliminer le bruit en séquences. Pour évaluer la qualité d'un barcode marker, on a développé deux mesures quantita- tive,formelle: la couverture (Bc) et la spécificité (Bs). La couverture donne une mesure de universalité d'une pairs de primer pour amplifier un large nombre de taxa, alors que la spécificité donne une mesure de capacité à discriminer entre les différents taxons. Ces mesures sont très utiles pour le classement des barcode marker et pour sélectionner les meilleurs markers. Pour trouver des nouveaux région barcode notamment pour les applications metabarcod- ing, j'ai développé un logiciel, ecoPrimers3. Basé sur ces deux mesures de qualité et de l'information taxinomique intégré, ecoPrimers nous permet de concevoir barcode markers pour n'importe quel niveau taxonomique . En plus, avec un grand nombre de paramètres réglables il nous permet de contrôler les propriétés des amorces. Enfin, grâce a des algorithmes efficaces et programmé en langage C, ecoPrimers est suffisamment efficace pour traiter des grosses bases de données, y compris génomes bactériens entièrement séquencés. Enfin pour traiter des erreurs présentes dans les données de séquencage , nous avons analysé un ensemble simple d'échantillons de PCR obtenus à partir de l'analyse du régime alimentaire de Snow Leopard. En mesurant les corrélations entre les différents paramètres des erreurs, nous avons observé que la plupart des erreurs sont produites pendant l'amplification par PCR. Pour détecter ces erreurs, nous avons développé un algorithme utilisant les graphes, qui peuvent différencier les vrai séquences des erreurs induites par PCR. Les résultats obtenus à partir de cet algorithme a montré que les données de-bruitée a donnent une estimation réaliste de la diversité des espèces étudiées dans les Alpes françaises. / This thesis is concerned with the design and development of bioinformatics techniques that can facilitate the use of metabarcoding approach for measuring species diversity. Metabarcoding coupled with next generation sequencing techniques have a strong po- tential for multiple species identification from a single environmental sample. The real strength of metabarcoding resides in the use of barcode markers chosen for a particular study. The identification at species or higher level taxa can be achieved with carefully designed barcode markers. Moreover with the advent of high throughput sequencing techniques huge amount of sequence data is being produced that contains a substantial level of mutations. These mutations pose a problem for the correct estimates of biodi- versity and for the taxon assignation process. Thus the three major challenges that we addressed in this thesis are: evaluating the quality of a barcode region, designing new barcodes and dealing with errors occurring during different steps of an experiment. To assess the quality of a barcode region we have developed two formal quantitative mea- sures called barcode coverage (Bc) and barcode specificity (Bs). Barcode coverage is concerned with the property of a barcode to amplify a broad range of taxa, whereas barcode specificity deals with its ability to discriminate between different taxa. These measures are extremely useful especially for ranking different barcodes and selecting the best markers. To deal with the challenge of designing new barcodes for metabarcoding applications we have developed an efficient software called ecoPrimers. Based on the above two quality measures and with integrated taxonomic information, ecoPrimers1 enables us to design primers and their corresponding barcode markers for any taxonomic level. Moreover with a large number of tunable parameters it allows us to control the properties of primers. Finally, based on efficient algorithms and implemented in C language, ecoPrimers is efficient enough to deal with large data bases including fully sequenced bacterial genomes. Finally to deal with errors present in DNA sequence data, we have analyzed a simple set of PCR samples obtained from the diet analysis of snow leopard. We grouped closely related sequences and by measuring the correlation between different parameters of mutations, we have shown that most of the errors were introduced during PCR amplification. In order to deal with such errors, we have further developed an algorithm using graphs approach, that can differentiate true sequences from PCR induced errors. The results obtained from this algorithm showed that de-noised data gave a realistic estimate of species diversity studied in French Alpes. This algorithm is implemented in program obiclean.

Sweet potato is a popular food security crop in South Africa and has a considerable commercial value. Fusarium wilt (FW), caused by the fungal pathogen Fusarium oxysporum formae speciales (f. sp.) batatas, has been reported worldwide and is widespread in sweet potato production areas in South Africa. Preliminary molecular identification of South African isolates from diseased sweet potato plants indicated that there are other formae speciales besides F. oxysporum f. sp. batatas associated with FW. The objectives of the study were to conduct a field survey and to characterise the isolates of the Fusarium oxysporum species complex (FOSC) using phylogenetic analyses, morphological characterisation and DNA barcoding. Phylogenetic analyses revealed two other formae speciales, namely F. oxysporum f. sp. tuberosi and F. oxysporum f. sp. vanillae that were associated with FW. This study has contributed in understanding and knowledge of FOSC associated with FW of sweet potato in South Africa. / Life and Consumer Sciences / M. Sc. (Life Sciences)