Az óceáni élet nagyrészt el van rejtve a látványtól. Figyelemmel kíséri az életét, ahol drága - általában nagy hajók, nagy hálózatok, képzett személyzet és sok idő igényel. A környezeti DNS-nek nevezett új technológia megkerüli ezeket a korlátozásokat, és ez gyors, megfizethető módot kínál arra, hogy kitaláljuk, mi van a víz felszínén.
kapcsolodo tartalom
- Hogyan használják a tudósok a maradék DNS kislányos bitjeit a vadon élő rejtélyek megoldására?
A halak és más állatok DNS-t juttatnak a vízbe sejtek, szekréciók vagy ürülék formájában. Körülbelül 10 évvel ezelőtt az európai kutatók először bebizonyították, hogy kis mennyiségű tóvíz elegendő mennyiségben tartalmaz szabadon úszó DNS-t a rezidens állatok kimutatására.
A kutatók ezt követően a vízi eDNS-t több édesvízi rendszerben keresették, utóbbi időben pedig rendkívül nagyobb és összetettebb tengeri környezetben. Miközben a vízi eDNS elve jól megalapozott, még most kezdjük felfedezni annak potenciálját a halak és azok bőségének kimutatására bizonyos tengeri körülmények között. A technológia számos gyakorlati és tudományos alkalmazást ígér, a fenntartható halkontingensek meghatározásának elősegítésétől és a veszélyeztetett fajok védelmének értékelésétől a tengeri szélerőműparkok hatásának felméréséig.
Ki van a Hudsonban, mikor?
Új tanulmányunkban kollégáimmal és én teszteltük, hogy a vízi eDNS mennyire képes kimutatni a halakat a New York City körüli Hudson folyó torkolatában. Annak ellenére, hogy a vízminőség Észak-Amerika legerősebben urbanizált torkolata, az utóbbi évtizedekben drámai módon javult, és a torkolat részben helyreállította számos halfaj számára nélkülözhetetlen élőhelyként betöltött szerepét. A helyi vizek javult egészségét rámutat arra, hogy a New York-i kikötő határain, az Empire State Building területén, az atlanti menhaden nagy iskoláiban tápláló púpos bálnák rendszeresen esnek vissza.
Felkészülés arra, hogy dobja a gyűjtő vödör a folyóba. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Vizsgálatunk az óceáni halak tavaszi vándorlásának első felvétele vízminták DNS-tesztjeinek elvégzésével. Hetente egy liter (kb. Negyed) vízmintát gyűjtöttünk két városi helyszínen, 2016. január-július óta. Mivel a manhattani partvonal páncélozott és megemelkedett, dobott egy vödröt egy kötélen a vízbe. A téli mintákban kevés vagy nem volt hal eDNS. Április elejétől folyamatosan növekedett a halak száma, nyár elejére mintánként mintegy 10–15 faj volt. Az eDNA-eredmények nagyjából megegyeztek a halak mozgásával kapcsolatos meglévő ismereteinkkel, amelyeket évtizedek óta a hagyományos kerítőhálós felmérések során nehezen sikerült megszerezni.
Eredményeink bizonyítják a vízi eDNS „Goldilocks” minőségét - úgy tűnik, hogy csak a megfelelő időtartamra lesz hasznos. Ha túl gyorsan eltűnik, akkor nem lenne képes észlelni. Ha túl sokáig tartana, akkor nem észlelnénk a szezonális különbségeket, és valószínűleg sok édesvízi és nyílt óceáni faj, valamint a helyi torkolati halak DNS-ét találnánk. A kutatások azt sugallják, hogy a DNS óráktól napokig bomlik, a hőmérséklettől, az áramotól és így tovább függően.
Összességében 42 helyi tengeri halfajnak megfelelő eDNS-t kaptunk, ideértve a helyben gazdag vagy közönséges fajok legnagyobb részét (80%). Ezen túlmenően az általunk észlelt fajokban gyakrabban figyeltünk meg gazdag vagy közönséges fajokat, mint a helyileg ritka fajokat. A módszer számára jó hír az, hogy az eDNA fajok a lokálisan elterjedt halak hagyományos megfigyeléseivel megegyeznek a fajok tömegében - ez támogatja az eDNS-t, mint a halak számát. Arra számítunk, hogy végül képesek leszünk felismerni az összes helyi fajt - nagyobb mennyiségek gyűjtésével, a torkolat további helyein és különböző mélységekben.
Az eDNS-en keresztül azonosított halak egy napos mintában találhatók New York City East River partjáról. (New York-i Környezetvédelmi Minisztérium: alewife (heringfajok), csíkos sügér, amerikai angolna, mummichog; Massachusetts Hal- és vadosztálya: fekete tengeri sügér, kékhal, atlanti-óceán; New Jersey búvárkodási szövetség: oyste) A helyi tengeri fajok mellett néhány mintában lokálisan ritka vagy hiányzó fajokat is találtunk. A legtöbb hal volt, amit eszünk - Nílus tilapia, atlanti lazac, európai tengeri sügér („branzino”). Arra gondolunk, hogy ezek a szennyvízből származnak - bár a Hudson tisztább, a szennyvízszennyezés továbbra is fennáll. Ha ebben az esetben a DNS bejutott a torkolatba, akkor lehetséges, hogy szennyvízének tesztelésével meghatározható, hogy egy közösség védett fajokat fogyaszt-e. A fennmaradó egzotikumok édesvízi fajok voltak, meglepően kevés, tekintettel arra, hogy a Hudson vízgyűjtőjéből a napi nagy mennyiségű édesvíz beáramlik a sós vízfolyásba.
A torkolati víz szűrése a laboratóriumban. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) A meztelen DNS elemzése
Protokollunk módszereket és berendezéseket alkalmaz a molekuláris biológiai laboratóriumban, és ugyanazokat az eljárásokat követi, mint például az emberi mikrobiómák elemzése.
A gyűjtés után vízmintákat vezetünk egy kis pórusméretű (0, 45 mikron) szűrőn, amely csapdába ejti a szuszpendált anyagot, beleértve a sejteket és a sejtfragmenseket. Kibontjuk a DNS-t a szűrőből és amplifikáljuk polimeráz láncreakció (PCR) alkalmazásával. A PCR olyan, mint egy adott DNS-szekvencia „xeroxing”, annyi másolatot készít, hogy könnyen elemezhető legyen.
Célunk a mitokondriális DNS - a mitokondriumokon belüli genetikai anyag, az organelle, amely a sejt energiáját generálja. A mitokondriális DNS sokkal nagyobb koncentrációban van jelen, mint a nukleáris DNS, így könnyebben detektálható. Vannak olyan régiói is, amelyek minden gerincesen azonosak, ami megkönnyíti számunkra a több faj sokszínűségét.
eDNS és egyéb törmelék maradt a szűrőn, miután a torkolati víz áthaladt. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Minden egyes amplifikált mintát megcímkéztünk, a mintákat összegyűjtöttük és elküldtük a következő generációs szekvenáláshoz. A Rockefeller Egyetemi tudós és a szerző Zachary Charlop-Powers elkészítette a bioinformatikai csővezetéket, amely felméri a szekvencia minőségét, és létrehozza az egyes minták egyedi szekvenciáinak és „olvasási számainak” listáját. Így hányszor fedeztük fel az egyes egyedi sorozatokat.
A fajok azonosítása érdekében az egyes egyedi sorozatokat összehasonlítják a GenBank nyilvános adatbázisban szereplőkkel. Eredményeink összhangban állnak azzal, hogy az olvasási szám arányos a halak számával, de további munkára van szükség az eDNS és a halak bőségének pontos kapcsolatán. Például egyes halak több DNS-t bocsáthatnak el, mint mások. A halak pusztulásának, a vízhőmérsékletnek, a tojásoknak és a lárva-halaknak a felnőtt formákkal szembeni hatása szintén szerepet játszhat.
Csakúgy, mint a televíziós bűnműsorokban, az eDNA azonosítása egy átfogó és pontos adatbázisra támaszkodik. Egy kísérleti tanulmányban olyan helyi fajokat azonosítottunk, amelyek hiányoztak a GenBank adatbázisból, vagy hiányos vagy eltérő szekvenciákkal rendelkeztek. Az azonosítás javítása érdekében 31 példányt szekvenáltunk 18 fajra a Monmouth Egyetem tudományos gyűjteményéből, valamint a csaliboltokból és a halpiacokból. Ezt a munkát nagyrészt Lyubov Soboleva hallgatói kutató és társszerző végezte, aki a New York-i John Bowne középiskolában dolgozott. Ezeket az új szekvenciákat letétbe helyeztük a GenBankban, ezzel növelve az adatbázis lefedettségét a helyi fajok mintegy 80% -ára.
Tanulmány a manhattani gyűjtőhelyeken. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) A halakra és más gerinces állatokra koncentráltunk. Más kutatócsoportok a vízi eDNA megközelítést alkalmazták a gerinctelenekre. Elvileg a technika felméri az állatok, növények és mikrobiák sokféleségét egy adott élőhelyen. A vízi állatok felismerése mellett az eDNA a szárazföldi állatokat a közeli vízparton is tükrözi. Vizsgálatunkban a leggyakoribb vadállat, amelyet a New York-i vizekben fedeztek fel, a barna patkány, egy közönséges városi lakosság.
A jövőbeni tanulmányok önálló járműveket alkalmazhatnak a távoli és mély helyek rutinszerű mintavételéhez, segítve az óceánok életének sokféleségének jobb megértését és kezelését.
Ezt a cikket eredetileg a The Conversation kiadta.
Mark Stoeckle, a Rockefeller Egyetem emberi környezeti programjának vezető kutató munkatársa
