Multivariate Tests und multiple Testprozeduren für Abundanzdaten von Mikroorganismen unter Berücksichtigung phylogenetischer Sequenzinformationen

Die Erforschung der Zusammensetzung von Mikroben-Gemeinschaften ist ein wichtiges Anliegen in der Landwirtschaft, Medizin oder Ökologie und wird bereits seit einigen Jahren bevorzugt auf der Basis von Methoden durchgeführt, welche direkt auf die mikrobielle DNS zurückgreifen und damit unabhängig von der Kultivierbarkeit der Mikroben sind. Mit dem Übergang von elektrophoretischen Analysemethoden über spezialisierte Microarrays hin zu  neuen Sequenzierungstechniken wie der Pyrosequenzierung oder Sequenzierung mittels Illumina MiSeq, stiegen dabei gleichzeitig die Zahl und die direkte Interpretier- und Vergleichbarkeit der detektierten operationalen taxonomischen Einheiten (operational taxonomic units, OTUs). Die Sequenzierungsverfahren  liefern eine Spezies-unabhängig skalierte Quantifizierung des Auftretens der OTUs und Sequenzinformationen, welche Aussagen über die phylogenetische Ähnlichkeit aller Paare von OTUs erlaubt. Aktuelle Bestrebungen in den internationalen Forschergruppen richten sich daher auf die Nutzung dieser Zusatzinformationen in statistischen Analysen. Es wurden rechenintensive Methoden für ökologische Abstandsdaten etabliert, welche die Informationen aus Abundanzen und phylogenetischen Abständen kombinieren. Im letzten Jahr wurde eine gemeinsame theoretische Grundlage der beiden bekanntesten Varianten, der gewichtete Unifrac-Abstand und die DPCoA (double principal coordinate analysis), publiziert.Erstes Ziel dieses Antrags ist es, die in den letzten Jahren in unserem Institut entwickelten multivariaten Testverfahren auf der Basis von Abstandsmaßen unter Nutzung von Permutations- und Rotationstechniken ebenfalls auf die Nutzung der Sequenzabstände anzupassen und diese mit Verfahren aus der Literatur zu vergleichen.Der Schwerpunkt liegt dann auf der Nutzung dieser multivariaten Bausteine sowie univariater Tests in multiplen Testprozeduren, welche die zunächst hochdimensionalen Aussagen soweit wie möglich auf kleinere Mengen von Variablen (z.B. auf höheren taxonomischem Niveau) oder sogar auf einzelne Variablen (OTUs) herunterbrechen und dabei das multiple Fehlerniveau im strengen Sinne einhalten. Dazu sollen verschiedene in unserem Institut entwickelte oder mitentwickelte multiple Testprozeduren auf die Nutzung der Sequenzabstände angepasst werden. Die Arbeiten erfolgen in enger Kooperation mit Partnern aus dem Julius Kühn-Institut, einem Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen in Quedlinburg/Braunschweig.

Multivariate tests and multiple test procedures for abundance data of microorganisms in consideration of information from phylogenetic sequences

Analysis of the composition of microbial communities is an important component of agricultural, medical and ecological research. Nowadays the preferred methods are based directly on DNA samples and therefore are independent of the reproduction of microbial organisms under laboratory conditions. The developmental progress from electrophoretic methods of analysis to specialized microarrays and furthermore to modern next generation sequencing techniques as pyrosequencing or sequencing by Illumina MiSeq increased the number of detected OTUs (operational taxonomic units) and the ability to directly interpret and compare them within and between samples. The result of pyrosequencing is a quantification of the occurrences of OTUs which is independent in scale for species and as a byproduct provides information of the corresponding sequences which can be used to quantify the phylogenetic similarity of OTUs, too.Currently, international groups of researchers focus on incorporating this supplementary information in statistical analysis. Computationally expensive methods for ecological distances were established that combine information from abundance and phylogenetic distances. A common theoretical basis for the two most popular variants, the weighted Unifrac distance and the DPCoA (double principal coordinate analysis), has been published last year.The first target of this application is to adjust multivariate methods that were developed in our institute to the use of additional phylogenetic information and to compare the results against published methods. The methods from our institute are permutation or rotation tests based on distance measures.The main target is to use these methods afterwards together with univariate tests as building blocks in procedures for multiple testing which partition high dimensional data as far as possible into smaller sets of variables (e.g. on a higher taxonomical level) or even into single variables (OTUs) while still controlling the familywise error rate in the strong sense. To achieve this, several multiple test procedures that were developed in (or together with) our institute will be adjusted to the use of phylogenetic distances. We will work closely together with our partners from the Julius Kühn-Institut, a Federal Research Centre for cultivated plants in Quedlinburg/Braunschweig.