Жизнь океана в значительной степени скрыта от глаз. Мониторинг того, что живет там, где это дорого - обычно требует больших лодок, больших сетей, квалифицированного персонала и большого количества времени. Новая технология, использующая так называемую ДНК окружающей среды, позволяет обойти некоторые из этих ограничений, предоставляя быстрый и доступный способ выяснить, что находится под поверхностью воды.
Связанный контент
- Как ученые используют крошечные остатки ДНК, чтобы разгадать тайны дикой природы
Рыба и другие животные сбрасывают ДНК в воду в виде клеток, выделений или экскрементов. Около 10 лет назад европейские исследователи впервые продемонстрировали, что небольшие объемы прудовой воды содержат достаточно свободно плавающей ДНК, чтобы обнаружить постоянных животных.
Впоследствии исследователи искали водную эДНК в нескольких пресноводных системах, а в последнее время - в значительно более крупных и сложных морских средах. В то время как принцип водной эДНК хорошо известен, мы только начинаем изучать его потенциал для обнаружения рыб и их численности в определенных морских условиях. Технология обещает множество практических и научных применений, от помощи в установлении устойчивых квот на рыбу и оценки защиты видов, находящихся под угрозой исчезновения, до оценки воздействия морских ветровых электростанций.
Кто в Гудзоне, когда?
В нашем новом исследовании мы с коллегами проверили, насколько хорошо водная eDNA способна обнаруживать рыб в устье реки Гудзон, окружающем Нью-Йорк. Несмотря на то, что в течение последних десятилетий он был наиболее сильно урбанизированным эстуарием в Северной Америке, качество воды резко улучшилось, и эстуарий частично восстановил свою роль в качестве основного места обитания для многих видов рыб. Улучшение здоровья местных вод подчеркивается теперь уже регулярным падением горбатых китов, питающихся большими школами атлантического менхадена на границах гавани Нью-Йорка, в пределах территории Эмпайр Стейт Билдинг.
Готовимся швырнуть сборное ведро в реку. (Марк Стоукл, CC BY-ND) Наше исследование является первой записью весенней миграции океанических рыб путем проведения анализов ДНК на образцах воды. Мы брали один литр (примерно кварту) проб воды еженедельно в двух городских районах с января по июль 2016 года. Поскольку береговая линия Манхэттена бронирована и поднята, мы бросили ведро на веревке в воду. Зимой образцы имели мало или вообще не было эДНК рыбы. Начиная с апреля наблюдалось неуклонное увеличение количества обнаруженных рыб: к началу лета примерно 10-15 видов на образец. Результаты eDNA в значительной степени соответствовали нашим существующим знаниям о передвижении рыбы, что было с трудом завоевано десятилетиями традиционных съемок.
Наши результаты демонстрируют качество «златовласка» в водной эДНК - кажется, она длится достаточно времени, чтобы быть полезной. Если он исчезнет слишком быстро, мы не сможем его обнаружить. Если бы это продолжалось слишком долго, мы бы не обнаружили сезонных различий и, вероятно, обнаружили бы ДНК многих пресноводных и открытых видов океана, а также местных рыб эстуария. Исследования показывают, что ДНК распадается в течение часов или дней, в зависимости от температуры, токов и так далее.
В целом, мы получили eDNA, соответствующие 42 местным видам морских рыб, включая большинство (80 процентов) из местных или распространенных видов. Кроме того, из обнаруженных нами видов, обильные или распространенные виды наблюдались чаще, чем местные необычные. Хорошая новость для этого метода состоит в том, что обнаруженная eDNA вида совпадает с традиционными наблюдениями местных распространенных рыб с точки зрения численности - она поддерживает eDNA как индекс численности рыб. Мы ожидаем, что в конечном итоге сможем обнаружить все местные виды - путем сбора больших объемов, на дополнительных участках в устье реки и на разных глубинах.
Рыба идентифицирована с помощью eDNA в пробе за один день из восточной реки Нью-Йорка. (Департамент охраны окружающей среды штата Нью-Йорк: алевина (виды сельди), полосатый окунь, американский угорь, муммихог; Массачусетский департамент рыбы и дичи: черный сибас, голубая рыба, атлантический серебристый берег; Ассоциация дайвинга Нью-Джерси: оист) В дополнение к местным морским видам, мы также обнаружили в нескольких образцах местные редкие или отсутствующие виды. В основном это была рыба, которую мы едим - нильская тилапия, атлантический лосось, европейский морской окунь («бранзино»). Мы предполагаем, что они поступили из сточных вод - хотя Гудзон и чище, загрязнение сточных вод сохраняется. Если в этом случае именно так ДНК попала в эстуарий, то, возможно, можно определить, потребляет ли сообщество охраняемые виды, проверив его сточные воды. Остальной экзотикой, которую мы обнаружили, были пресноводные виды, что удивительно мало, учитывая большой ежедневный приток пресной воды в устье соленой воды из водораздела Гудзона.
Фильтрование лимана обратно в лабораторию. (Марк Стоукл, CC BY-ND) Анализируя голую ДНК
Наш протокол использует стандартные методы и оборудование в лаборатории молекулярной биологии и следует тем же процедурам, которые используются, например, для анализа микробиомов человека.
После сбора мы пропускаем пробы воды через фильтр с маленьким размером пор (0, 45 микрона), который улавливает взвешенный материал, включая клетки и фрагменты клеток. Мы извлекаем ДНК из фильтра и амплифицируем ее с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). ПЦР - это как «ксероксирование» определенной последовательности ДНК, с получением достаточного количества копий, чтобы ее можно было легко проанализировать.
Мы нацелены на митохондриальную ДНК - генетический материал в митохондриях, органеллу, которая генерирует энергию клетки. Митохондриальная ДНК присутствует в гораздо более высоких концентрациях, чем ядерная ДНК, и поэтому ее легче обнаружить. У этого также есть области, которые являются одинаковыми у всех позвоночных, что облегчает нам амплификацию нескольких видов.
eDNA и другой мусор, оставшийся на фильтре после прохождения через эстуарий воды. (Марк Стоукл, CC BY-ND) Мы пометили каждую амплифицированную выборку, объединили образцы и отправили их для секвенирования следующего поколения. Ученый и соавтор Рокфеллеровского университета Захари Чарлоп-Пауэрс создал биоинформационный конвейер, который оценивает качество последовательностей и генерирует список уникальных последовательностей и «чисел чтения» в каждом образце. Вот сколько раз мы обнаружили каждую уникальную последовательность.
Для идентификации видов каждая уникальная последовательность сравнивается с таковой в публичной базе данных GenBank. Наши результаты согласуются с тем, что число считываний пропорционально количеству рыб, но требуется больше работы для точного соотношения eDNA и численности рыбы. Например, некоторые рыбы могут пролить больше ДНК, чем другие. Влияние рыбной смертности, температуры воды, яиц и личиночных рыб по сравнению со взрослыми формами также может сыграть роль.
Как и в телевизионных криминальных шоу, идентификация eDNA основана на полной и точной базе данных. В пилотном исследовании мы определили местные виды, которые отсутствовали в базе данных GenBank или имели неполные или несовпадающие последовательности. Для улучшения идентификации мы отобрали 31 образец, представляющий 18 видов, из научных коллекций Университета Монмута, а также из магазинов приманок и рыбных рынков. Эту работу в значительной степени выполнила студентка-исследователь и соавтор Любовь Соболева, старшая в средней школе имени Джона Бауэна в Нью-Йорке. Мы разместили эти новые последовательности в GenBank, увеличив охват базы данных примерно до 80 процентов наших местных видов.
Учебные сайты коллекции в Манхэттене. (Марк Стоукл, CC BY-ND) Мы сосредоточились на рыбе и других позвоночных. Другие исследовательские группы применили водный подход eDNA к беспозвоночным. В принципе, методика может оценить разнообразие всех видов животных, растений и микроорганизмов в конкретной среде обитания. В дополнение к обнаружению водных животных, eDNA отражает наземных животных в близлежащих водосборах. В нашем исследовании самым распространенным диким животным, обнаруженным в водах Нью-Йорка, была коричневая крыса, обычная обитательница городских районов.
В будущих исследованиях могут использоваться автономные транспортные средства для регулярного отбора проб на удаленных и глубоких участках, что поможет нам лучше понять и управлять разнообразием жизни в океане.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Марк Стоукл, старший научный сотрудник Программы по человеческой среде, Университет Рокфеллера
