Valtameren elämä on suurelta osin piilotettu näkymästä. Asumisen seuranta on kallista - vaatii yleensä isoja veneitä, suuria verkkoja, ammattitaitoista henkilökuntaa ja paljon aikaa. Uusi tekniikka, jota kutsutaan ympäristö-DNA: ksi, kiertää joitain näistä rajoituksista, tarjoamalla nopean ja edullisen tavan selvittää, mikä on vedenpinnan alla.
Asiaan liittyvä sisältö
- Kuinka tutkijat käyttävät jäljellä olevan DNA: n pikkuisia bittejä villieläimysteerien ratkaisemiseksi
Kalat ja muut eläimet levittävät DNA: ta veteen solujen, eritteiden tai eritteiden muodossa. Noin 10 vuotta sitten tutkijat Euroopassa osoittivat ensin, että pienet määrät lampivettä sisälsivät tarpeeksi vapaasti kelluvaa DNA: ta paikallisten eläinten havaitsemiseksi.
Tutkijat ovat myöhemmin etsineet veden eDNA: ta monissa makeanveden järjestelmissä ja viime aikoina huomattavasti suurempissa ja monimutkaisemmissa meriympäristöissä. Vaikka vesi-eDNA: n periaate on vakiintunut, aloitamme vasta tutkia sen mahdollisuuksia havaita kaloja ja niiden runsautta tietyissä meriympäristöissä. Teknologia lupaa monia käytännöllisiä ja tieteellisiä sovelluksia kestävien kalojen kiintiöiden asettamisesta ja uhanalaisten lajien suojelun arvioinnista merituulipuistojen vaikutusten arviointiin.
Kuka on Hudsonissa, milloin?
Uudessa tutkimuksessamme kollegani ja minä testasimme, kuinka hyvin vesietoDDNA pystyi havaitsemaan kaloja Hudson-joen suistossa New Yorkin ympärillä. Huolimatta siitä, että veden laatu on Pohjois-Amerikan voimakkaimmin kaupungistunut suisto, viime vuosikymmeninä se on parantunut dramaattisesti, ja suisto on osittain palauttanut roolinsa tärkeänä elinympäristönä monille kalalajeille. Paikallisten vesien terveydentilan paranemista korostaa nykyisin säännöllisesti pudonneiden rypälevalaiden ilmestyminen suuriin Atlantin menhaden-kouluihin New Yorkin sataman rajoilla, Empire State Building -alueella.
Valmistautuu heittämään keräysastia jokeen. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Tutkimuksemme on ensimmäinen tallennus merikalan kevätmuutosta tekemällä DNA-testejä vesinäytteille. Keräsimme litran (noin neljäsosaa) vesinäytteitä viikossa kahdessa kaupunkikohteessa tammi-heinäkuussa 2016. Koska Manhattanin rantaviiva on panssaroitu ja kohonnut, heitimme ämpäri köydellä veteen. Talvella näytteissä oli vähän tai ei ollenkaan kalan eDNA: ta. Huhtikuun alusta kalat havaittiin tasaisesti lisääntyneinä, alkukesään mennessä noin 10–15 lajia näytettä kohden. EDNA-havainnot vastasivat suurelta osin nykyistä tietämystämme kalaliikkeistä, joita voitettiin vuosikymmenten perinteisistä nuottaa koskevista tutkimuksista.
Tuloksemme osoittavat veden eDNA: n ”Goldilocks” -laadun - näyttää siltä, että se kestää juuri oikean ajan olevan hyödyllinen. Jos se katosi liian nopeasti, emme pystyisi tunnistamaan sitä. Jos se kestäisi liian kauan, emme havaitsisi vuodenaikojen eroja ja löytäisimme todennäköisesti monien makean veden ja avomeren lajien sekä paikallisten suistokalajen DNA: t. Tutkimukset osoittavat, että DNA hajoaa tunneista päiviin lämpötilasta, virtauksista ja niin edelleen.
Kaiken kaikkiaan saimme eDNA: ita, jotka vastaavat 42 paikallista merikalalajia, mukaan lukien suurin osa (80 prosenttia) paikallisesti runsas- tai yleislajeista. Lisäksi havaitsemiemme lajien kohdalla havaittiin runsaampia tai yleisiä lajeja kuin paikallisesti harvinaisia. Se, että havaitut eDNA-lajit sopivat paikallisesti yleisten kalojen perinteisiin havaintoihin runsauden suhteen, on hyvä uutinen menetelmälle - se tukee eDNA: ta kalojen indeksinä. Odotamme, että pystymme lopulta havaitsemaan kaikki paikalliset lajit - keräämällä suurempia määriä suistoalueen lisäkohteisiin ja eri syvyyksille.
EDNA: n avulla tunnistetut kalat yhden päivän näytteessä New Yorkin East Riveristä. (New Yorkin osavaltion ympäristönsuojeluministeriö: alewife (silakkalajit), raidallinen basso, amerikkalainen ankerias, simpukka; Massachusettsin kala- ja riistaosasto: mustanmeren basso, sinikala, Atlantin hopearanta; New Jerseyn sukellusyhdistys: Oyste) Paikallisten merilajien lisäksi löysimme muutamista näytteistä myös paikallisesti harvinaisia tai puuttuvia lajeja. Suurin osa oli syömästä kalasta - Niilin tilapia, Atlantin lohi, eurooppalainen meriahven (“branzino”). Arvellaan, että nämä tulivat jätevesistä - vaikka Hudson on puhtaampaa, jätevesien pilaantuminen jatkuu. Jos tässä tapauksessa DNA pääsi suistoon, voi olla mahdollista selvittää, kuluttaako yhteisö suojattuja lajeja testaamalla jätevetensä. Jäljelle jääneet eksoottiset tuotteet olivat makean veden lajeja, yllättävän harvoja ottaen huomioon, että suurta päivittäistä makean veden virtausta tapahtuu suolavesisuistoon Hudsonin vesistöalueelta.
Suistoveden suodattaminen takaisin laboratorioon. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Paljaan DNA: n analysointi
Protokollamme käyttää menetelmiä ja laitteistostandardeja molekyylibiologisessa laboratoriossa, ja noudattaa samoja menettelytapoja, joita käytetään esimerkiksi ihmisen mikrobiomien analysointiin.
Keräyksen jälkeen ajamme vesinäytteitä pienen huokoskokoisen (0, 45 mikronin) suodattimen läpi, joka vangitsee suspendoidun materiaalin, mukaan lukien solut ja solufragmentit. Uuttamme DNA: n suodattimesta ja monistamme sen käyttämällä polymeraasiketjureaktiota (PCR). PCR on kuin tietyn DNA-sekvenssin "kseroxisointi", joka tuottaa tarpeeksi kopioita, jotta se voidaan helposti analysoida.
Kohdensimme mitokondriaalista DNA: ta - mitokondrioiden geneettistä materiaalia, organelliä, joka tuottaa solun energiaa. Mitokondrio-DNA: ta on läsnä paljon korkeammissa pitoisuuksissa kuin ydin-DNA: ssa, ja siten helpompi havaita. Sillä on myös alueita, jotka ovat samat kaikissa selkärankaisissa, mikä helpottaa monien lajien monistumista.
eDNA ja muut roskat, jotka ovat jääneet suodattimeen suistoveden läpi kulkemisen jälkeen. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Merkitsimme jokaisen monistetun näytteen, yhdistämme näytteet ja lähetimme ne seuraavan sukupolven sekvensointiin. Rockefeller-yliopiston tutkija ja kirjoittaja Zachary Charlop-Powers loivat bioinformaattisen putkilinjan, joka arvioi sekvenssien laatua ja tuottaa luettelon kussakin näytteessä olevista ainutlaatuisista sekvensseistä ja ”lukumääristä”. Näin monta kertaa havaitsimme jokaisen ainutlaatuisen sekvenssin.
Lajien tunnistamiseksi kutakin ainutlaatuista sekvenssiä verrataan julkisessa tietokannassa GenBank oleviin sekvensseihin. Tuloksemme ovat yhdenmukaisia sen kanssa, että luettu luku on verrannollinen kalojen määrään, mutta eDNA: n ja kalojen runsauden suhteen tarkan suhteen on tehtävä enemmän työtä. Esimerkiksi jotkut kalat voivat levittää enemmän DNA: ta kuin toiset. Kalakuolleisuuden, veden lämpötilan, munien ja toukkakalojen vaikutukset aikuisten muotoihin voivat myös olla tärkeitä.
EDNA-tunnistus perustuu aivan kuten televisiorikollisuussarjaan kattavaan ja tarkkaan tietokantaan. Pilottitutkimuksessa tunnistimme paikalliset lajit, jotka puuttuivat GenBank-tietokannasta tai joiden sekvenssit olivat puutteelliset tai epätarkkoja. Tunnistamisen parantamiseksi sekvensoimme 31 näytettä, jotka edustavat 18 lajia, tieteellisistä kokoelmista Monmouthin yliopistossa sekä syöttivarastoista ja kalamarkkinoilta. Tämän työn teki suurelta osin opiskelijatutkija ja kirjoittaja Lyubov Soboleva, vanhempi John Bownen lukiossa New Yorkissa. Tallensimme nämä uudet sekvenssit GenBankiin lisäämällä tietokannan kattavuutta noin 80 prosenttiin paikallisista lajeistamme.
Tutkimuksen keräyspaikat Manhattanilla. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Keskityimme kaloihin ja muihin selkärankaisiin. Muut tutkimusryhmät ovat soveltaneet veden eDNA-lähestymistapaa selkärangattomiin. Periaatteessa tekniikalla voitaisiin arvioida kaikkien eläinten, kasvien ja mikrobien elämän monimuotoisuutta tietyssä elinympäristössä. Vesieläinten havaitsemisen lisäksi eDNA heijastaa maaeläimiä läheisillä vesistöalueilla. Tutkimuksissamme yleisin New Yorkin vesillä havaittu villieläin oli ruskea rotta, yleinen kaupunkiasukas.
Tulevat tutkimukset voivat käyttää itsenäisiä ajoneuvoja etä- ja syväpaikkojen rutiininomaiseen näytteenottoon, mikä auttaa meitä ymmärtämään paremmin ja hallitsemaan valtameren elämän monimuotoisuutta.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Mark Stoeckle, vanhempi tutkijatohtori ihmisen ympäristöä koskevassa ohjelmassa, Rockefeller University
