Ookeani elu on suuresti vaate eest varjatud. Asukoha jälgimine on kulukas - tavaliselt vajavad suured paadid, suured võrgud, kvalifitseeritud personal ja palju aega. Uue tehnoloogiana, mida kasutatakse keskkonna DNA-ks, saab mõned neist piirangutest mööda, pakkudes kiiret ja taskukohast viisi veepinna all olevate materjalide väljaselgitamiseks.
Seotud sisu
- Kuidas teadlased looduslike mõistatuste lahendamiseks kasutavad järelejäänud DNA bitti
Kalad ja muud loomad heidavad DNAd rakkude, eritiste või väljaheidetena vette. Umbes 10 aastat tagasi näitasid Euroopa teadlased esimest korda, et väike kogus tiigivett sisaldas piisavalt vabalt ujuvat DNA-d elanike loomade tuvastamiseks.
Hiljem on teadlased otsinud vee eDNA-d mitmetest mageveesüsteemidest ning viimasel ajal ka tunduvalt suurematest ja keerukamatest merekeskkondadest. Kuigi vee-eDNA põhimõte on väljakujunenud, hakkame alles uurima selle potentsiaali kalade ja nende arvukuse tuvastamiseks konkreetses merekeskkonnas. See tehnoloogia lubab paljusid praktilisi ja teaduslikke rakendusi, alates säästvate kalakvootide kehtestamisest ja ohustatud liikide kaitse hindamisest kuni avamere tuuleparkide mõju hindamiseni.
Kes on millal Hudsonis?
Meie uues uuringus testisime koos kolleegidega, kui hästi vees eDNA suutis New Yorki ümbritseva Hudsoni jõe suudmealal kalu tuvastada. Vaatamata sellele, et vee kvaliteet on Põhja-Ameerika kõige enam linnastunud suudmeala, on vee kvaliteet viimastel aastakümnetel dramaatiliselt paranenud ja suudmeala on osaliselt taastanud oma rolli paljude kalaliikide olulise elupaigana. Kohalike vete paranenud tervist tõstab esile Atlandi ookeani menhadeni suurtesse koolidesse toituvate küürvaalade tavaline sügisene ilmumine New Yorgi sadama piiril, Empire State Buildingu territooriumil.
Ettevalmistus kogumisämber jõkke visata. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Meie uuring on esimene ookeanikalade kevadise rände registreerimine veeproovide DNA-testide abil. Kogusime jaanuarist juulini 2016. aastal kahes linnakohas ühe liitri (umbes veerand) veeproove. Kuna Manhattani rannajoon on soomustatud ja kõrgendatud, viskasime trossiga ämbri vette. Talvistes proovides oli kalade eDNA vähe või üldse mitte. Aprilli algusest oli kalade arv pidevalt kasvanud - suve alguseks oli proovis umbes 10–15 liiki. EDNA leiud vastasid suures osas meie olemasolevatele teadmistele kalade liikumise kohta, mida võideti aastakümnetepikkuste traditsiooniliste seinerite uuringute põhjal.
Meie tulemused näitavad vee eDNA “Goldilocks” kvaliteeti - tundub, et see on kasulik vaid õige aeg. Kui see liiga kiiresti kaob, ei suudaks me seda tuvastada. Kui see kestab liiga kaua, ei tuvastaks me hooajalisi erinevusi ja tõenäoliselt leiaksime paljude magevee- ja avamere ookeani liikide, samuti kohalike estuaarikalade DNA-sid. Uuringud näitavad, et DNA laguneb tundide või päevade jooksul, sõltuvalt temperatuurist, vooludest ja nii edasi.
Kokku saime eDNA-sid, mis vastavad 42 kohalikule merekalaliigile, sealhulgas enamusele (80 protsenti) kohalikult rikkalikest või tavalistest liikidest. Lisaks täheldati meie tuvastatud liikide hulgas arvukaid või tavalisi liike sagedamini kui kohapeal haruldasemaid liike. Meetodi jaoks on hea uudis see, et tuvastatud liigid eDNA ühinesid levinud kalade traditsiooniliste vaatlustega arvukuse osas - see toetab eDNA-d kui kalade arvu indeksit. Eeldatavasti suudame lõpuks kõik kohalikud liigid tuvastada - kogudes suuremaid koguseid, suudmeala lisakohtades ja erinevatel sügavustel.
EDNA kaudu tuvastatud kalad ühe päeva proovis New Yorgi East Riverist. (New Yorgi osariigi keskkonnakaitseosakond: alewife (heeringaliigid), triibuline bass, ameerika angerjas, mummichog; Massachusettsi kala- ja ulukiosakond: must meriahven, sinikala, atlandi hõbe; New Jersey sukeldumisühing: oyste) Lisaks kohalikele mereliikidele leidsime paarist proovist ka kohati haruldasi või puuduvaid liike. Enamik oli kala, mida sööme - Niiluse tilapia, atlandi lõhe, Euroopa meriahven (“branzino”). Spekuleerime, et need tulid reoveest - ehkki Hudson on puhtam, püsib reovee saastatus endiselt. Kui sel juhul sattus DNA suudmealale, võib selle reovee testimisega olla võimalik kindlaks teha, kas kogukond tarbib kaitsealuseid liike. Ülejäänud eksootika, mille leidsime, olid mageveeliigid, üllatavalt vähe, arvestades suurt igapäevast magevee sissevoolu Hudsoni vesikonna soolasele suudmealale.
Estuuravee filtreerimine laborisse tagasi. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Alasti DNA analüüsimine
Meie protokollis kasutatakse molekulaarbioloogia laboris meetodeid ja seadmeid ning järgitakse samu protseduure, mida kasutatakse näiteks inimese mikrobiomide analüüsimisel.
Pärast kogumist juhime veeproove läbi väikese poorisuurusega (0, 45 mikroni) filtri, mis püüab kinni suspendeeritud materjali, sealhulgas rakke ja raku fragmente. Me ekstraheerime filtrist DNA ja amplifitseerime seda polümeraasi ahelreaktsiooni (PCR) abil. PCR on nagu teatud DNA järjestuse kseroksimine, tootes piisavalt koopiaid, et seda oleks hõlbus analüüsida.
Meie sihtmärgiks oli mitokondriaalne DNA - mitokondrite geneetiline materjal, raku energiat genereerivad organellid. Mitokondrite DNA on palju suuremates kontsentratsioonides kui tuuma-DNA ja seda on seega lihtsamini tuvastatav. Samuti on piirkondi, mis on kõigil selgroogsetel ühesugused, mis lihtsustab meil mitme liigi võimendamist.
eDNA ja muud praht, mis on jäänud filtrisse pärast suudmevee läbimist. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Märgistasime iga võimendatud proovi, ühendasime proovid ja saatsime järgmise põlvkonna sekveneerimiseks. Rockefelleri ülikooli teadlane ja kaasautor Zachary Charlop-Powers lõi bioinformaatilise torujuhtme, mis hindab jadade kvaliteeti ja genereerib iga proovi kordumatute jadade ja “loetavate numbrite” loendi. Nii mitu korda tuvastasime iga kordumatu jada.
Liikide tuvastamiseks võrreldakse iga kordumatut jada avalikus andmebaasis GenBank olevatega. Meie tulemused on kooskõlas sellega, et lugemisarv on võrdeline kalade arvuga, kuid eDNA ja kalade arvukuse täpse seose osas on vaja rohkem tööd teha. Näiteks võivad mõned kalad valada rohkem DNA-d kui teised. Mängus võivad olla ka kalade suremuse, veetemperatuuri, munade ja vastsete kalade mõju täiskasvanud vormidele.
Nii nagu telesaadetes kuritegevuse kohta, põhineb eDNA tuvastamine ulatuslikul ja täpsel andmebaasil. Pilootuuringus tuvastasime kohalikud liigid, mis GenBanki andmebaasist puudusid või mille järjestused olid puudulikud või sobimatud. Identifitseerimise parandamiseks järjestati Monmouthi ülikooli teaduskollektsioonidest ning söödakauplustest ja kalaturgudelt 31 eksemplari, mis esindavad 18 liiki. Selle töö tegi suuresti õpilasuurija ja kaasautor Lyubov Soboleva, New Yorgi John Bowne'i keskkooli vanem. Deponeerisime need uued järjestused GenBanki, suurendades andmebaasi katvust umbes 80 protsendini meie kohalikest liikidest.
Uuringu kogumiskohad Manhattanil. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Keskendusime kaladele ja teistele selgroogsetele. Teised uurimisrühmad on selgrootute suhtes rakendanud vee-eDNA-lähenemist. Põhimõtteliselt saaks selle tehnika abil hinnata loomade, taimede ja mikroobide mitmekesisust konkreetses elupaigas. Lisaks veeloomade tuvastamisele peegeldab eDNA maismaaloomi ka läheduses asuvates veealades. Meie uuringus oli New Yorgi vetes tuvastatud levinuim metsloom pruun rott, tavaline linnaelanik.
Edaspidistes uuringutes võidakse kaugel asuvate ja sügavate alade regulaarseks proovivõtmiseks kasutada autonoomseid sõidukeid, aidates meil paremini mõista ja hallata ookeanielu mitmekesisust.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Mark Stoeckle, Rockefelleri ülikooli inimkeskkonna programmi vanemteadur
