Oceánský život je z velké části skrytý. Sledování toho, co žije, kde je nákladné - obvykle vyžaduje velké lodě, velké sítě, kvalifikovaný personál a spoustu času. Vznikající technologie využívající tzv. Environmentální DNA obchází některá z těchto omezení a poskytuje rychlý a cenově dostupný způsob, jak zjistit, co je pod hladinou vody.
Související obsah
- Jak vědci používají drobné zbytky DNA k vyřešení záhad divočiny
Ryby a jiná zvířata vrhají DNA do vody ve formě buněk, sekrecí nebo exkrementů. Asi před 10 lety vědci v Evropě poprvé prokázali, že malé objemy vody v jezírku obsahovaly dostatek volně plovoucí DNA k detekci rezidentních zvířat.
Vědci následně hledali vodní eDNA ve více sladkovodních systémech a nedávno v mnohem větších a složitějších mořských prostředích. I když je princip vodní eDNA dobře zaveden, teprve začínáme zkoumat jeho potenciál pro detekci ryb a jejich hojnost v konkrétním mořském prostředí. Tato technologie slibuje mnoho praktických a vědeckých aplikací, od pomoci stanovit udržitelné rybí kvóty a vyhodnotit ochranu ohrožených druhů až po posouzení dopadů větrných elektráren na moři.
Kdo je v Hudsonu, kdy?
V naší nové studii jsme se svými kolegy testovali, jak dobře vodní eDNA dokáže detekovat ryby v ústí řeky Hudson kolem New Yorku. Přestože je v severní Americe nejsilněji urbanizovanou ústí řek, kvalita vody se v posledních desetiletích dramaticky zlepšila a ústí částečně obnovilo svou roli základního prostředí mnoha druhů ryb. Zlepšené zdraví místních vod je zvýrazněno nyní pravidelným výskytem keporkaků, které se živí velkými školou atlantického menhadenu na hranicích přístavu v New Yorku, v místě Empire State Building.
Připravuje se vrhnout sběrnou nádobu do řeky. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Naše studie je prvním záznamem jarní migrace mořských ryb provedením DNA testů na vzorcích vody. Od ledna do července 2016 jsme každý týden shromažďovali jeden litr vody (asi kvart) ve dvou městských lokalitách. Protože pobřeží Manhattanu je obrněné a zvýšené, hodili jsme do vody kbelík na laně. Vzorky zimy měly malou nebo žádnou rybu eDNA. Počínaje dubnem došlo k trvalému nárůstu ryb, počátkem léta bylo na vzorek odebráno asi 10 až 15 druhů. Nálezy eDNA do značné míry odpovídaly našim stávajícím znalostem o pohybech ryb, těžce vyhraných z desetiletí tradičních průzkumů lovu na moři.
Naše výsledky prokazují kvalitu „Goldilocks“ vodních eDNA - zdá se, že trvá jen to správné množství času, aby bylo užitečné. Pokud by zmizela příliš rychle, nemohli bychom to zjistit. Pokud by to trvalo příliš dlouho, nezjistili bychom sezónní rozdíly a pravděpodobně bychom našli DNA mnoha sladkovodních a otevřených oceánských druhů, stejně jako DNA místních ústí ryb. Výzkum naznačuje, že se DNA rozkládá v průběhu hodin až dnů, v závislosti na teplotě, proudech atd.
Celkem jsme získali eDNAs odpovídající 42 místním druhům mořských ryb, včetně většiny (80 procent) místně hojných nebo běžných druhů. Kromě toho byly druhy, které jsme detekovali, hojnější nebo běžné druhy častěji pozorovány než lokálně méně časté. To, že druh eDNA detekoval odpovídající tradiční pozorování lokálně běžných ryb z hlediska hojnosti, je pro tuto metodu dobrou zprávou - podporuje eDNA jako index počtu ryb. Očekáváme, že nakonec dokážeme detekovat všechny místní druhy - shromažďováním větších objemů, na dalších místech v ústí a v různých hloubkách.
Ryby identifikované prostřednictvím eDNA ve vzorku jednoho dne z East River v New Yorku. (New York State Department of Environmental Protection: Alewife (sledě), pruhovaný bas, americký úhoř, mummichog; Massachusetts Department of Fish and Game: Black Sea bass, Bluefish, Atlantic Silverside; New Jersey Scuba Diving Association: oyste) Kromě místních mořských druhů jsme v několika vzorcích našli také místně vzácné nebo chybějící druhy. Nejvíce byly ryby, které jíme - tilapie nilská, losos atlantický, mořský vlk evropský („branzino“). Spekulujeme, že pocházely z odpadních vod - přestože je Hudson čistší, kontaminace odpadních vod přetrvává. Pokud by se takto DNA dostala do ústí v tomto případě, pak by bylo možné určit, zda komunita konzumuje chráněné druhy testováním své odpadní vody. Zbylé exotiky, které jsme našli, byly sladkovodní druhy, překvapivě málo vzhledem k velkému každodennímu přítoku sladké vody do ústí slané vody z povodí řeky Hudson.
Filtrování vody ústí zpět do laboratoře. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analýza nahé DNA
Náš protokol používá standardy metod a vybavení v laboratoři molekulární biologie a postupuje podle stejných postupů, jaké se používají například při analýze lidských mikrobiomů.
Po odběru se vzorky vody podrobí filtru s malou velikostí pórů (0, 45 mikronu), který zachycuje suspendovaný materiál, včetně buněk a fragmentů buněk. Extrahujeme DNA z filtru a amplifikujeme ji pomocí polymerázové řetězové reakce (PCR). PCR je jako „xeroxing“ konkrétní sekvence DNA, produkující dostatek kopií, aby bylo možné ji snadno analyzovat.
Zaměřili jsme se na mitochondriální DNA - genetický materiál uvnitř mitochondrií, organelu, která generuje energii buňky. Mitochondriální DNA je přítomna v mnohem vyšších koncentracích než jaderná DNA, a tak se snáze detekuje. Má také oblasti, které jsou stejné na všech obratlovcích, což nám usnadňuje amplifikaci více druhů.
eDNA a další zbytky zůstaly na filtru po průchodu vody ústí. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Každý amplifikovaný vzorek jsme označili, shromáždili vzorky a poslali je pro sekvenování další generace. Vědec a spoluautor Rockefellerovy univerzity Zachary Charlop-Powers vytvořil bioinformatický plynovod, který vyhodnocuje kvalitu sekvence a generuje seznam jedinečných sekvencí a „přečtených čísel“ v každém vzorku. To je kolikrát jsme detekovali každou jedinečnou sekvenci.
Pro identifikaci druhů je každá jedinečná sekvence porovnána se sekvencemi ve veřejné databázi GenBank. Naše výsledky jsou v souladu s tím, že číslo odečtu je úměrné počtu ryb, ale je třeba více pracovat na přesném vztahu mezi eDNA a hojností ryb. Například některé ryby mohou prolévat více DNA než jiné. Mohou být také ovlivněny účinky úmrtnosti ryb, teploty vody, vajec a larválních ryb na dospělé formy.
Stejně jako v televizních pořadech se i identifikace eDNA spoléhá na komplexní a přesnou databázi. V pilotní studii jsme identifikovali místní druhy, které chyběly v databázi GenBank, nebo měly neúplné nebo neshodné sekvence. Pro zlepšení identifikace jsme sekvenovali 31 exemplářů představujících 18 druhů z vědeckých sbírek na Monmouth University a z návnad a rybích trhů. Tuto práci do značné míry provedl studentský výzkumný pracovník a spoluautor Lyubov Soboleva, senior na střední škole Johna Bowna v New Yorku. Tyto nové sekvence jsme uložili do GenBank, čímž jsme rozšířili pokrytí databáze na přibližně 80 procent našich místních druhů.
Studijní sbírková místa na Manhattanu. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Zaměřili jsme se na ryby a další obratlovce. Jiné výzkumné skupiny aplikovaly na bezobratlé vodní přístup eDNA. V zásadě by technika mohla posoudit rozmanitost veškerého života zvířat, rostlin a mikrobů v konkrétním stanovišti. Kromě detekce vodních živočichů odráží eDNA suchozemská zvířata v blízkých povodích. V naší studii bylo nejběžnějším divokým zvířetem zjištěným ve vodách New Yorku hnědá krysa, obyčejný městský obyvatel.
Budoucí studie by mohly využívat autonomní vozidla k rutinnímu vzorkování vzdálených a hlubokých míst, což nám pomáhá lépe porozumět a řídit rozmanitost oceánského života.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Mark Stoeckle, Senior Research Associate v Programu pro lidské prostředí, Rockefellerova univerzita
