Η ωκεάνια ζωή είναι σε μεγάλο βαθμό κρυμμένη από την άποψη. Παρακολουθήστε τι ζει όπου είναι δαπανηρή - συνήθως απαιτούν μεγάλες βάρκες, μεγάλα δίχτυα, εξειδικευμένο προσωπικό και άφθονο χρόνο. Μια αναδυόμενη τεχνολογία που χρησιμοποιεί το λεγόμενο περιβαλλοντικό DNA γίνεται γύρω από ορισμένους από αυτούς τους περιορισμούς, παρέχοντας έναν γρήγορο και προσιτό τρόπο για να καταλάβουμε τι υπάρχει κάτω από την επιφάνεια του νερού.
σχετικό περιεχόμενο
- Πώς οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τα teeny κομμάτια του απομένοντος DNA για να λύσουν τα μυστήρια της άγριας πανίδας
Ψάρια και άλλα ζώα ρίχνουν DNA στο νερό, με τη μορφή κυττάρων, εκκρίσεων ή εκκρίσεων. Περίπου 10 χρόνια πριν, οι ερευνητές στην Ευρώπη κατέδειξαν για πρώτη φορά ότι οι μικρές ποσότητες νερού λιμνών περιείχαν αρκετά ελεύθερα επιπλέουσα DNA για να ανιχνεύσουν κατοικίδια ζώα.
Οι ερευνητές στη συνέχεια αναζητούσαν το υδάτινο eDNA σε πολλά συστήματα γλυκών υδάτων και πιο πρόσφατα σε πολύ μεγαλύτερα και πιο σύνθετα θαλάσσια περιβάλλοντα. Ενώ η αρχή του υδρόβιου eDNA είναι καλά εδραιωμένη, μόλις αρχίζουμε να διερευνάμε τις δυνατότητές της για την ανίχνευση των ψαριών και την αφθονία τους σε συγκεκριμένες θαλάσσιες συνθήκες. Η τεχνολογία υπόσχεται πολλές πρακτικές και επιστημονικές εφαρμογές, από τη βοήθεια στη θέσπιση βιώσιμων αλιευτικών ποσοστώσεων και την αξιολόγηση της προστασίας για απειλούμενα με εξαφάνιση είδη για την εκτίμηση των επιπτώσεων των υπεράκτιων αιολικών πάρκων.
Ποιος είναι στο Hudson, πότε;
Στη νέα μας μελέτη, οι συνεργάτες μου και εγώ δοκιμάσαμε πόσο καλά το υδάτινο eDNA θα μπορούσε να ανιχνεύσει τα ψάρια στις εκβολές του ποταμού Hudson γύρω από τη Νέα Υόρκη. Παρά το γεγονός ότι είναι η πιο αστικοποιημένη εκβολή στη Βόρεια Αμερική, η ποιότητα των υδάτων βελτιώθηκε δραματικά κατά τις τελευταίες δεκαετίες και οι εκβολές ανασύρθηκαν εν μέρει από τον ρόλο της ως ουσιαστικού οικοτόπου για πολλά είδη ψαριών. Η βελτίωση της υγείας των τοπικών υδάτων τονίζεται από την πλέον τακτική εμφάνιση φθινοπώρου φάλαινας που τροφοδοτείται σε μεγάλες σχολές του Ατλαντικού menhaden στα σύνορα του λιμανιού της Νέας Υόρκης, στο χώρο του Empire State Building.
Προετοιμασία για να πετάξει τον κάδο συλλογής στον ποταμό. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Η μελέτη μας είναι η πρώτη καταγραφή της εαρινής μετανάστευσης ωκεανών με διεξαγωγή δοκιμών DNA σε δείγματα νερού. Συλλέξαμε εβδομαδιαίως δείγματα νερού ενός λίτρου (περίπου ένα τετράγωνο) σε δύο πόλεις της πόλης από τον Ιανουάριο έως τον Ιούλιο του 2016. Επειδή η ακτογραμμή του Μανχάταν είναι θωρακισμένη και ανυψωμένη, πετάξαμε ένα κουβά σε σχοινί μέσα στο νερό. Τα δείγματα το χειμώνα είχαν ελάχιστο ή καθόλου ψάρι eDNA. Αρχίζοντας τον Απρίλιο, παρατηρήθηκε σταθερή αύξηση των ιχθύων που ανιχνεύθηκαν, με περίπου 10 έως 15 είδη ανά δείγμα από τις αρχές του καλοκαιριού. Τα ευρήματα του eDNA ευθυγραμμίζονταν σε μεγάλο βαθμό με τις υπάρχουσες γνώσεις μας για τις κινήσεις των ψαριών, που έχουν κερδίσει σκληρά από δεκαετίες παραδοσιακών ερευνών.
Τα αποτελέσματά μας καταδεικνύουν την ποιότητα του υδρόβιου eDNA "Goldilocks" - φαίνεται να διαρκεί ακριβώς το σωστό χρονικό διάστημα για να είναι χρήσιμο. Αν εξαφανιστεί πολύ γρήγορα, δεν θα μπορούσαμε να την εντοπίσουμε. Εάν διήρκεσε πολύς καιρός, δεν θα εντοπίσαμε εποχιακές διαφορές και θα μπορούσαμε να βρούμε DNA από πολλά γλυκά νερά και ανοικτά ωκεάνια είδη καθώς και από τα ψάρια των τοπικών εκβολών. Οι έρευνες υποδεικνύουν ότι το DNA διασπάται από ώρες σε ημέρες, ανάλογα με τη θερμοκρασία, τα ρεύματα και ούτω καθεξής.
Συνολικά, αποκτήσαμε eDNA που ταιριάζουν με 42 τοπικά είδη θαλάσσιων ψαριών, συμπεριλαμβανομένων των περισσότερων (80%) των τοπικά άφθονων ή κοινών ειδών. Επιπλέον, τα είδη που ανιχνεύσαμε, παρατηρήθηκαν συχνότερα από τα άφθονα ή συνηθισμένα είδη από ότι ήταν τοπικά ασυνήθιστα. Το γεγονός ότι το είδος eDNA ανίχνευσε αντιστοιχεί στις παραδοσιακές παρατηρήσεις τοπικά κοινών ψαριών όσον αφορά την αφθονία είναι καλή είδηση για τη μέθοδο - υποστηρίζει το eDNA ως δείκτη των αριθμών ψαριών. Αναμένουμε ότι θα μπορέσουμε τελικά να εντοπίσουμε όλα τα τοπικά είδη - συλλέγοντας μεγαλύτερους όγκους, σε πρόσθετες τοποθεσίες στις εκβολές και σε διαφορετικά βάθη.
Τα ψάρια ταυτοποιήθηκαν μέσω του eDNA σε δείγμα μιας ημέρας από τον East River της Νέας Υόρκης. (Κρατικό Τμήμα Περιβαλλοντικής Διατήρησης της Νέας Υόρκης: Αλέουβιτς (ρέγγα), ριγέ μπάσο, Αμερικάνικο χέλι, Μουμικονόγκο, Μασαχουσέτη Τμήμα Ψαριών και Παιχνιδιού: λαβράκι μαύρης θάλασσας, bluefish, Εκτός από τα τοπικά θαλάσσια είδη, διαπιστώσαμε επίσης σπάνια ή απόντα είδη σε μερικά δείγματα. Τα περισσότερα ήταν τα ψάρια που τρώμε - Νιλά τυλάπια, σολομό Ατλαντικού, λαβράκι της Ευρώπης ("branzino"). Υποθέτουμε ότι αυτά προέρχονταν από λύματα - παρόλο που ο Hudson είναι καθαρότερος, η μόλυνση των λυμάτων εξακολουθεί να υφίσταται. Εάν έτσι συμβαίνει το DNA στην εκβολή των εκβολών στην περίπτωση αυτή, τότε θα είναι πιθανό να διαπιστωθεί εάν μια κοινότητα καταναλώνει προστατευόμενα είδη με τη δοκιμή των λυμάτων της. Τα υπόλοιπα εξωτικά που βρήκαμε ήταν είδη γλυκών υδάτων, εκπληκτικά λίγα, δεδομένης της μεγάλης, καθημερινής εισροής γλυκού νερού στις εκβολές αλμυρού ύδατος από την λεκάνη απορροής Hudson.
Φιλτράρισμα του νερού των εκβολών στο εργαστήριο. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Αναλύοντας το γυμνό DNA
Το πρωτόκολλό μας χρησιμοποιεί πρότυπα μεθόδων και εξοπλισμού σε εργαστήριο μοριακής βιολογίας και ακολουθεί τις ίδιες διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση ανθρώπινων μικροβιομών, για παράδειγμα.
Μετά τη συλλογή, τρέχουμε δείγματα νερού μέσω ενός μικρού φίλτρου μεγέθους πόρου (0, 45 micron) που παγιδεύει αιωρούμενο υλικό, συμπεριλαμβανομένων των κυττάρων και θραυσμάτων κυττάρων. Εξάγουμε DNA από το φίλτρο και τον ενισχύουμε χρησιμοποιώντας αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR). Η PCR είναι σαν να «xeroxing» μια συγκεκριμένη ακολουθία DNA, παράγοντας αρκετά αντίγραφα έτσι ώστε να μπορεί εύκολα να αναλυθεί.
Στοχεύσαμε το μιτοχονδριακό DNA - το γενετικό υλικό μέσα στα μιτοχόνδρια, το οργανίδιο που παράγει την ενέργεια του κυττάρου. Το μιτοχονδριακό ϋΝΑ υπάρχει σε πολύ υψηλότερες συγκεντρώσεις από το πυρηνικό DNA και έτσι είναι ευκολότερο να ανιχνευθεί. Έχει επίσης περιοχές που είναι οι ίδιες σε όλα τα σπονδυλωτά, γεγονός που μας διευκολύνει να ενισχύσουμε πολλαπλά είδη.
eDNA και άλλα συντρίμμια που απομένουν στο φίλτρο μετά την διέλευση του νερού των εκβολών. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Ετικέταμε κάθε ενισχυμένο δείγμα, συγκεντρώσαμε τα δείγματα και τα έστειλα για αλληλουχία επόμενης γενιάς. Ο επιστήμονας του Πανεπιστημίου Rockefeller και ο συν-συγγραφέας Zachary Charlop-Powers δημιούργησαν τον βιοπληροφορικό αγωγό που αξιολογεί την ποιότητα της αλληλουχίας και παράγει έναν κατάλογο των μοναδικών ακολουθιών και των "αριθμών ανάγνωσης" σε κάθε δείγμα. Έτσι πολλές φορές ανιχνεύσαμε κάθε μοναδική ακολουθία.
Για να ταυτοποιήσουμε τα είδη, κάθε μοναδική αλληλουχία συγκρίνεται με αυτά της δημόσιας βάσης δεδομένων GenBank. Τα αποτελέσματά μας είναι συνεπή με τον αριθμό ανάγνωσης να είναι ανάλογος προς τον αριθμό των ψαριών, αλλά χρειάζεται περισσότερη δουλειά για την ακριβή σχέση του eDNA και της αφθονίας των ψαριών. Για παράδειγμα, ορισμένα ψάρια μπορεί να ρίξουν περισσότερα DNA από άλλα. Οι επιπτώσεις της θνησιμότητας των ψαριών, της θερμοκρασίας των υδάτων, των αυγών και των προνυμφών σε σχέση με τις μορφές ενηλίκων θα μπορούσαν επίσης να διαδραματίσουν.
Όπως δείχνει το τηλεοπτικό έγκλημα, η αναγνώριση του eDNA βασίζεται σε μια ολοκληρωμένη και ακριβή βάση δεδομένων. Σε μια πιλοτική μελέτη εντοπίσαμε τοπικά είδη που λείπουν από τη βάση δεδομένων του GenBank ή είχαν ατελείς ή αναντιστοιχίες. Προκειμένου να βελτιωθούν τα στοιχεία ταυτοποίησης, αναλύσαμε 31 δείγματα που αντιπροσωπεύουν 18 είδη από επιστημονικές συλλογές στο Πανεπιστήμιο του Monmouth και από καταστήματα δολωμάτων και αγορές ψαριών. Το έργο αυτό έγινε σε μεγάλο βαθμό από τον ερευνητή και τον συν-συγγραφέα Lyubov Soboleva, ανώτερο στο γυμνάσιο John Bowne στη Νέα Υόρκη. Καταθέσαμε αυτές τις νέες ακολουθίες στη GenBank, ενισχύοντας την κάλυψη της βάσης δεδομένων σε περίπου το 80% των τοπικών ειδών μας.
Χώροι συλλογής της μελέτης στο Μανχάταν. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Επικεντρώσαμε τα ψάρια και τα άλλα σπονδυλωτά. Άλλες ερευνητικές ομάδες έχουν εφαρμόσει προσέγγιση υδρόβιων eDNA σε ασπόνδυλα. Κατ 'αρχήν, η τεχνική θα μπορούσε να αξιολογήσει την ποικιλομορφία όλων των ζωικών, φυτικών και μικροβιακών ζωών σε ένα συγκεκριμένο οικοσύστημα. Εκτός από την ανίχνευση υδρόβιων ζώων, το eDNA αντικατοπτρίζει τα χερσαία ζώα σε κοντινές λεκάνες απορροής. Στη μελέτη μας, το πιο κοινό άγριο ζώο που ανιχνεύτηκε στα νερά της Νέας Υόρκης ήταν ο καφέ αρουραίος, ένας κοινός αστικός πληθυσμός.
Μελλοντικές μελέτες θα μπορούσαν να χρησιμοποιούν αυτόνομα οχήματα για τη συστηματική δειγματοληψία απομακρυσμένων και βαθιών περιοχών, βοηθώντας μας να κατανοήσουμε καλύτερα και να διαχειριστούμε την ποικιλομορφία της ωκεάνιας ζωής.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Mark Stoeckle, Ανώτερος ερευνητικός συνεργάτης στο Πρόγραμμα για το Ανθρώπινο Περιβάλλον, Πανεπιστήμιο Rockefeller
