Oceánsky život je z veľkej časti skrytý. Monitorovanie toho, čo žije, kde je to nákladné - zvyčajne si vyžaduje veľké lode, veľké siete, kvalifikovaný personál a veľa času. Vznikajúca technológia využívajúca tzv. Environmentálnu DNA obchádza niektoré z týchto obmedzení a poskytuje rýchly a cenovo dostupný spôsob, ako zistiť, čo sa nachádza pod hladinou vody.
Súvisiaci obsah
- Ako vedci používajú drobné kúsky zvyšnej DNA na vyriešenie záhad divočiny
Ryby a iné zvieratá vrhajú DNA do vody vo forme buniek, sekrétov alebo výkalov. Asi pred 10 rokmi vedci v Európe prvýkrát demonštrovali, že malé objemy vody z rybníka obsahovali dostatok voľne sa pohybujúcej DNA na detekciu domácich zvierat.
Vedci následne hľadali vodné eDNA vo viacerých sladkovodných systémoch a nedávno v oveľa väčších a komplexnejších morských prostrediach. Aj keď je princíp vodného eDNA dobre zavedený, len začíname skúmať jeho potenciál na odhaľovanie rýb a ich hojnosť v konkrétnych morských prostrediach. Táto technológia sľubuje mnoho praktických a vedeckých aplikácií, od pomoci pri stanovovaní udržateľných kvót na ryby a vyhodnocovania ochrany ohrozených druhov až po hodnotenie vplyvov veterných elektrární na mori.
Kto je v Hudsone, kedy?
V našej novej štúdii sme spolu so svojimi kolegami testovali, ako dobre môžu vodné dunajské dna detekovať ryby v ústí rieky Hudson okolo New Yorku. Napriek tomu, že ide o najsilnejšie urbanizovanú ústie v Severnej Amerike, kvalita vody sa za posledné desaťročia dramaticky zlepšila a ústie ústia čiastočne obnovilo svoju úlohu základného biotopu mnohých druhov rýb. Zlepšenie zdravia miestnych vôd vyzdvihuje dnes pravidelný výskyt veľrybíňovitých, ktoré sa živia veľkými školami atlantického menadenu na hraniciach prístavu v New Yorku, v rámci budovy Empire State Building.
Pripravuje sa vrhnúť zbernú vedro do rieky. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Naša štúdia je prvým záznamom jarnej migrácie morských rýb pomocou DNA testov na vzorkách vody. Od januára do júla 2016 sme každý týždeň zbierali jeden liter vody (približne do štvrtiny) na dvoch mestských lokalitách. Pretože pobrežie Manhattanu je obrnené a vyvýšené, hodili sme do vody vedro na lane. Vzorky v zime mali málo alebo žiadne ryby eDNA. Začiatok v apríli zaznamenal stabilný nárast počtu rýb, pričom začiatkom leta bolo na vzorku odobraných približne 10 až 15 druhov. Nálezy eDNA do značnej miery zodpovedali našim existujúcim znalostiam o pohybe rýb, ktoré sa ťažko získali z desaťročí tradičných prieskumov záťahov.
Naše výsledky demonštrujú kvalitu „Goldilocks“ vodnej eDNA - zdá sa, že trvá práve ten správny čas, aby bola užitočná. Keby zmizla príliš rýchlo, nedokázali by sme to zistiť. Keby to trvalo príliš dlho, nezistili by sme sezónne rozdiely a pravdepodobne by sme našli DNA mnohých sladkovodných a otvorených druhov oceánov, ako aj miestnych ústí rýb. Výskum naznačuje, že sa DNA rozpadá v priebehu hodín až dní, v závislosti od teploty, prúdov a podobne.
Celkom sme získali eDNAs zodpovedajúce 42 miestnym druhom morských rýb, vrátane väčšiny (80 percent) lokálne hojných alebo bežných druhov. Okrem toho sa častejšie pozorovali druhy, ktoré sme zistili, početné alebo bežné druhy, ako boli miestne neobvyklé druhy. To, že druh eDNA zistil zodpovedajúce tradičné pozorovania lokálne bežných rýb z hľadiska hojnosti, je pre túto metódu dobrou správou - podporuje eDNA ako index počtu rýb. Očakávame, že nakoniec dokážeme odhaliť všetky miestne druhy - zhromažďovaním väčších objemov, na ďalších miestach v ústí riek av rôznych hĺbkach.
Ryby identifikované prostredníctvom služby eDNA vo vzorke jedného dňa z východnej rieky New York City. (Štátne ministerstvo ochrany životného prostredia v New Yorku: druh sleďa obyčajného, pruhovaný bas, americký úhor, mummichog; ministerstvo rýb a zveriny Massachusetts: čierny morský ostrov, modroplutvý, atlantický potok; združenie potápačov v New Jersey: oyste) Okrem miestnych morských druhov sme v niekoľkých vzorkách našli aj lokálne zriedkavé alebo chýbajúce druhy. Najviac boli ryby, ktoré jeme - tilapie nílska, losos atlantický, morský vlk obyčajný („branzino“). Špekulujeme o nich, že pochádzajú z odpadových vôd - aj keď je Hudson čistejší, kontaminácia splaškami pretrváva. Ak sa takto DNA v tomto prípade dostala do ústí riek, potom by bolo možné určiť, či spoločenstvo konzumuje chránené druhy testovaním odpadových vôd. Zostávajúce exotiky, ktoré sme našli, boli sladkovodné druhy, prekvapivo málo vzhľadom na veľké denné prítoky sladkej vody do ústí slanej vody z povodia rieky Hudson.
Filtrovanie vody z ústia do laboratória. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analýza nahej DNA
Náš protokol používa štandardné metódy a vybavenie v laboratóriu molekulárnej biológie a postupuje podľa rovnakých postupov, aké sa používajú napríklad pri analýze ľudských mikrobiómov.
Po odbere vzorky vody pretečíme cez filter s malou veľkosťou pórov (0, 45 mikrónov), ktorý zachytáva suspendovaný materiál vrátane buniek a fragmentov buniek. Extrahujeme DNA z filtra a amplifikujeme ju pomocou polymerázovej reťazovej reakcie (PCR). PCR je ako „xeroxovanie“ konkrétnej sekvencie DNA, pričom vytvára dostatok kópií, aby sa dala ľahko analyzovať.
Zamerali sme sa na mitochondriálnu DNA - genetický materiál v mitochondriách, organelu, ktorá vytvára energiu bunky. Mitochondriálna DNA je prítomná v oveľa vyšších koncentráciách ako jadrová DNA, a tak sa ľahšie deteguje. Má tiež regióny, ktoré sú rovnaké vo všetkých stavovcoch, čo nám uľahčuje amplifikáciu viacerých druhov.
eDNA a ďalšie zvyšky zostali na filtri po tom, čo prešla voda v ústí. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Označili sme každú amplifikovanú vzorku, zhromaždili vzorky a poslali ich na sekvenovanie ďalšej generácie. Vedec a spoluautor Rockefellerovej univerzity Zachary Charlop-Powers vytvoril bioinformatický plynovod, ktorý hodnotí kvalitu sekvencie a generuje zoznam jedinečných sekvencií a „prečítaných čísel“ v každej vzorke. To je, koľkokrát sme zistili každú jedinečnú sekvenciu.
Na identifikáciu druhov sa porovnáva každá jedinečná sekvencia so sekvenciami vo verejnej databáze GenBank. Naše výsledky sú v súlade s tým, že počet čítaní je úmerný počtu rýb, ale je potrebné viac pracovať na presnom vzťahu medzi eDNA a početnosťou rýb. Napríklad niektoré ryby môžu zbaviť viac DNA ako iné. Mohli by tu byť tiež účinky úmrtnosti rýb, teploty vody, vajec a lariev rýb na formy pre dospelých.
Rovnako ako v prípade televíznych zločinov, aj identifikácia eDNA sa spolieha na komplexnú a presnú databázu. V pilotnej štúdii sme identifikovali miestne druhy, ktoré chýbali v databáze GenBank alebo ktoré mali neúplné alebo nesprávne zhodné sekvencie. Na zlepšenie identifikácie sme zoradili 31 exemplárov predstavujúcich 18 druhov z vedeckých zbierok na Monmouthskej univerzite az obchodov s návnadami a rybími trhmi. Túto prácu do značnej miery vykonal študentský vedecký pracovník a spoluautor Lyubov Soboleva, senior na strednej škole Johna Bowneho v New Yorku. Tieto nové sekvencie sme uložili do GenBank, čím sme zvýšili pokrytie databázy na približne 80 percent našich miestnych druhov.
Štúdiové zberné miesta na Manhattane. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Zamerali sme sa na ryby a ostatné stavovce. Iné výskumné skupiny aplikovali na bezstavovce vodný prístup eDNA. V zásade by táto technika mohla hodnotiť rozmanitosť všetkého živočíšneho, rastlinného a mikrobiálneho života v konkrétnom prostredí. Popri zisťovaní vodných živočíchov odráža eDNA aj suchozemské zvieratá v blízkosti povodí. V našej štúdii najbežnejším divokým zvieraťom zisteným vo vodách New Yorku bola hnedá krysa, obyčajný mestský obyvateľ.
Budúce štúdie by mohli využívať autonómne vozidlá na rutinné vzorkovanie vzdialených a hlbokých lokalít, čo nám pomôže lepšie porozumieť a riadiť rozmanitosť oceánskeho života.
Tento článok bol pôvodne publikovaný na stránke The Conversation.
Mark Stoeckle, vedecký pracovník v programe pre ľudské prostredie, Rockefellerova univerzita
