Keskkonna -DNA (eDNA) on muutmas mereökosüsteemide uurimist . Tänu sellele tehnikale on nüüd võimalik teada, millised liigid on teatud piirkonnast läbi käinud, ilma neid nägemata või püüdmata. Võtke lihtsalt veeproov, eraldage selles sisalduv geneetiline materjal ja analüüsige seda ülitäpsete molekulaarsete tööriistade abil.
Ookeanide puhul on eDNA-st saanud juhtiv vahend vaalaliste ja teiste mereorganismide jälgimiseks , eriti väga suurtel aladel, mida on traditsiooniliste meetoditega keeruline proovida. Alates suurtest rahvusvahelistest kampaaniatest kuni vee-elurikkusele spetsialiseerunud laboriteni tugineb üha rohkem projekte sellele tehnoloogiale merekeskkonna kaitse ja majandamise parandamiseks.
Mis on keskkonna-DNA ja kuidas seda merest saadakse?
eDNA all peame silmas DNA -d, mida organismid jätavad keskkonda naharakkude, väljaheidete, limaskestade, koejäätmete, soomuste või isegi ujudes eralduvate mikroskoopiliste fragmentide kaudu. See geneetiline materjal püsib vees, pinnases või õhus mõnda aega ja seda saab nõuetekohase proovivõtmise korral koguda.
Mereökosüsteemides on kõige levinum protseduur järgmine: Koguge mitu liitrit merevett ja filtreerige see et kõik need bioloogilised osakesed kinni pidada. Filtritesse jäävad kinni mikroorganismid, näiteks bakterid ja fütoplankton, aga ka teiste mikroorganismide jäljed. de pecesvaalalised ja muud mereselgroogsed, kelle olemasolu oleks ainuüksi palja silmaga väga raske tuvastada.
Kui materjal on filtril, ekstraheeritakse DNA laboris ja amplifitseeritakse molekulaarbioloogia tehnikate , näiteks PCR-i ja metabarokodeerimise abil. Seejärel see sekveneeritakse ja võrreldakse võrdlusandmebaasidega, et tuvastada, millisele liigile iga fragment kuulub.
Sellel lähenemisviisil on oluline tagajärg: geneetiliste andmebaaside kvaliteet ja ulatus määravad, milliseid liike saab tuvastada . Kui liigi järjestust nendes andmebaasides ei ole salvestatud, siis see liik tulemustes ei ilmu, isegi kui see valimisse kuuluvas ökosüsteemis tegelikult esineb.
Lisaks on eDNA-l tõlgendamisel oma eripärad: liigi DNA leidmine proovist ei tähenda alati, et loom asub sel hetkel täpselt selles asukohas . Ookeanihoovused võivad transportida geneetilist materjali, esineda võib ristsaastumist või isegi saagi jälgi kiskjate maos. Seetõttu on oluline analüüsida eDNA andmeid selle ookeanograafilises ja ökoloogilises kontekstis.
eDNA eelised traditsiooniliste proovivõtumeetodite ees
Keskkonna DNA analüüs on teeninud koha mereökoloogia tööriistakastis, kuna see pakub väga selgeid eeliseid klassikaliste proovivõtumeetodite , näiteks traalimise, visuaalse loenduse või organismide otsese püüdmise ees.
Üks olulisemaid eeliseid on see, et tegemist on mitteinvasiivse meetodiga . Organismide olemasolu või olemasolu teadasaamiseks ei ole vaja neid püüda, manipuleerida ega kahjustada. See on eriti oluline kaitsealuste või ohustatud liikide või suurte loomade, näiteks vaalaliste puhul.
eDNA annab liikide määramisele ka suurema objektiivsuse . Kuigi visuaalsed meetodid tuginevad suuresti vaatlejate kogemustele ja väljaõppele, põhineb liikidele järjestuste määramine võrdlustel geneetiliste andmebaasidega. Kuigi need andmebaasid on endiselt laienemas ja täiustumas, vähendab see protsess taksonoomilise ekspertiisiga seotud eelarvamusi.
Teine oluline eelis on selle võime tuvastada haruldasi, krüptilisi või raskesti tabatavaid liike , mis jäävad visuaalsel vaatlusel või kalavõrkudes märkamatuks. Loomad, kes harva pinnale tõusevad, laevadelt eemalduvad või sügavates vetes liiguvad, võivad jätta piisavalt eDNA jälgi, et neid tuvastada.
Lõpuks hõlbustab eDNA raskesti ligipääsetavate keskkondade uurimist , näiteks rannikust kaugel asuvate alade, süvamerevööndite või elupaikade uurimist, kus traditsiooniliste meetodite rakendamine oleks kulukas, riskantne või ebaefektiivne. Nõuetekohase proovivõtu planeerimise abil saab suhteliselt lühikese aja jooksul ja mõõdukate kuludega katta väga suuri alasid, mistõttu on see väga paljutõotav ja kulutõhus meetod merekeskkonna jälgimiseks.
Maamärkuuring: vaalaliste jälgimine eDNA abil avameres
Hispaania Okeanograafia Instituudi (IEO, CSIC) ja Mereuuringute Instituudi (IIM-CSIC) koostöös läbi viidud uuring on selgelt näidanud keskkonna-DNA potentsiaali vaalaliste uurimisel avameres. See ajakirjas Marine Environmental Research avaldatud uuring keskendus e-DNA abil saadud tulemuste võrdlemisele traditsiooniliste visuaalsete uuringute tulemustega.
Teadusrühm analüüsis kahe meetodi vastavust erinevatel ruumilistel skaaladel , alates väga suurtest aladelt kuni keskmise ja peenema skaalani. Andmed näitasid, et eDNA on vaalaliste mitmekesisuse ja leviku kirjeldamiseks eriti tugev keskmise ruumilise skaala korral, täiendades selgelt pardal olevate vaatlejate kogutud teavet.
Üks uuringu silmatorkavamaid aspekte on see, et eDNA võimaldas teadlastel tuvastada liike, mida kampaania ajal ei nähtud . Nende hulgas olid andmed mõõkvaalade, pikauim-pilootvaalade ja True nokkvaalade kohta – liigid, mis oma käitumise, väikese arvukuse või sukeldumismustrite tõttu võivad visuaalsetel transektidel kergesti märkamatuks jääda.
Samal ajal langes eDNA abil saadud ruumiline jaotusmuster suures osas kokku kõige sagedasemate vaalaliste liikide, näiteks vaala, vaatlustega . Lisaks andis analüüs uut teavet triibulise delfiini kohta, mis on oma grupidünaamika ja pinnakäitumise tõttu visuaalsetes andmetes sageli alaesindatud.
See tõendusmaterjal ajendas Miguel Álvarezi juhitud meeskonda oma doktoritöö raames esile tõstma eDNA-d kui vaalaliste seire peamist täiendavat vahendit . Selle rakendamine on eriti huvitav haruldaste, raskesti tabatavate või avastatavate liikide puhul, parandades teaduslikke teadmisi nende esinemise ja leviku kohta ning toetades tõhusamaid majandamis- ja kaitsestrateegiaid, nagu rõhutas uuringu juhtivteadur dr Paula Suárez.
SCANS-IV kampaania: enneolematu kosmosehõlmavus
IEO ja IIM-CSIC uuring viidi läbi Euroopa SCANS-IV kampaania raames , mis on üks suurimaid vaalaliste seirealgatusi Põhja-Atlandil. Selle kampaania eesmärk on saada usaldusväärseid hinnanguid nende mereimetajate arvukuse ja leviku kohta suurtel ookeanialadel.
SCANS-IV käigus koguti 129 jaamas 258 veeproovi 270 684 km² suurusel ookeanialal , mis teeb sellest ühe suurima ruumilise ulatusega uuringu, mis seni vaalaliste eDNA uuringutes saavutatud on. Iga proovi töödeldi keskkonna DNA eraldamiseks ja analüüsimiseks, mida seejärel võrreldi visuaalsete vaatlusandmetega.
Kogutud andmete maht võimaldas vaatlejate poolt täheldatud mustrite ja eDNA abil ilmnenud mustrite vahelise korrelatsiooni üsna detailset hindamist nii laiaulatuslikul kui ka lokaalsemal tasandil. See mitmetasandiline lähenemisviis on ülioluline, et mõista, mil määral need kaks meetodit üksteist täiendavad ja kus kumbki neist kõige rohkem väärtust lisab.
Tööd rahastas Bioloogilise Mitmekesisuse Fond NuTEC projekti (Uued molekulaarsed ja kaugjuhtimistehnoloogiad vaalaliste populatsioonide hindamiseks) kaudu , Euroopa Liidu Next Generation fondi kaudu, mis suunati põllumajandus-, kalandus- ja toiduministeeriumi ning CSIC vahelise lepingu kaudu, ning ESMARES 2 projekti kaudu, mille eesmärk on rakendada Hispaanias merestrateegiate seiret IEO kaudu ja mida kaasrahastas Euroopa Merendus-, Kalandus- ja Vesiviljelusfond (EMKF).
See rahastamise ja institutsioonilise koostöö võrgustik rõhutab eDNA strateegilist tähtsust ookeanide säästva majandamise jaoks , aidates tugevdada rahvusvahelist juhtimist ning tagades, et mered ja ookeanid on kaitstud, ohutud ja puhtad keskkonnad, mis on vabad plastreostusest ning mida hallatakse kõige arenenumate teaduslike teadmiste põhjal.
Kogu see rahastamise ja institutsioonilise koostöö võrgustik rõhutab eDNA strateegilist tähtsust ookeanide säästva majandamise jaoks , aidates tugevdada rahvusvahelist juhtimist ning tagades, et mered ja ookeanid on kaitstud, ohutud ja puhtad keskkonnad, mida hallatakse kõige arenenumate teaduslike teadmiste põhjal.
Keskkonna-DNA rakendused mereökosüsteemides ja muudes elupaikades
Kuigi vaalalised on silmatorkav näide, on keskkonna-DNA-l lai valik rakendusi ökosüsteemide , sealhulgas mere-, magevee- ja maismaakeskkonna jälgimisel . Erinevad laborid ja spetsialiseerunud ettevõtted on välja töötanud projekte selle metoodika potentsiaali maksimeerimiseks väga erinevates kontekstides.
Üks võimsamaid uurimissuundi on bioloogilise mitmekesisuse määramine ja bioloogiliste koosluste iseloomustamine . eDNA metabarokodeerimise abil saab saada omamoodi "hetktõmmise" konkreetses piirkonnas esinevatest liikidest, tuvastades ühe analüüsiga terved taksonoomilised rühmad. See on kasulik ökosüsteemide tervise hindamiseks, liikide koosseisu muutuste tuvastamiseks ja kliimamuutuste mõju uurimiseks bioloogilisele mitmekesisusele.
Teine oluline rakendus on eksootiliste ja invasiivsete liikide varajane avastamine . Kuna eDNA suudab nende olemasolu väga varajases staadiumis registreerida, võimaldab see aktiveerida majandamismeetmeid enne, kui need liigid levivad ja põhjustavad suuri ökoloogilisi ja majanduslikke mõjusid. Ettevõtted nagu Eurofins Cavendish on välja töötanud spetsiifilised protokollid nende liikide tuvastamiseks veekogudes, hõlbustades kiiret reageerimist võimalikele bioloogilistele invasioonidele.
Elektroonilist DNA-d (eDNA) kasutatakse ka paljude liikide toitumise uurimiseks nende väljaheidete põhjal . Nendes jäänustes sisalduva DNA analüüsimine võimaldab üsna detailselt rekonstrueerida, mida loomad on söönud, aidates paremini mõista toiduvõrgustikke, kiskja ja saaklooma vastastikmõju ning võimalikke muutusi toiduressursside kättesaadavuses mere ökosüsteemides.
Lõpuks on eDNA kasutamine klassikaliste bioloogiliste indeksite , näiteks IBMWP (bentose makroselgrootute indeks) või IPS (ränivetikate indeks), arvutamiseks hoogu kogumas, kohandades neid molekulaarse kontekstiga. Nende uuringute eesmärk on teha kindlaks, mil määral saavad eDNA-põhised indeksid asendada või täiendada traditsioonilisi füüsikalisi proovivõtumeetodeid makroselgrootute või mikrovetikate puhul, pakkudes suuremat kiirust ja ruumilist ulatust.
Eurofins Cavendish ja rakendusliku molekulaarökoloogia esiletõus
Rakendusvaldkonnas on ettevõtted nagu Eurofins Cavendish positsioneerinud end liidritena keskkonna DNA analüüsis liikide tuvastamiseks ja bioloogilise mitmekesisuse uuringuteks. 2023. aastal käivitas ettevõte molekulaarökoloogia labori, mis keskendub eDNA-le, eriti veeökosüsteemidele suunatud uuringutele.
Sellised laborid pakuvad teadlastele, looduskaitseorganisatsioonidele ja avaliku sektori asutustele kohandatud lahendusi . Nende teenused ulatuvad proovivõtukampaaniate kavandamisest ja molekulaaranalüüside tegemisest kuni tulemuste tõlgendamise ja bioloogilise mitmekesisuse planeerimiseks või keskkonnamõju hindamiseks kasulike aruannete koostamiseni.
Nende meeskondade üks tugevusi on range ja tõenduspõhine lähenemisviis , mida toetavad standardiseeritud protokollid ja ranged kvaliteedikontrollid. See annab usaldusväärseid tulemusi, mis on olulised keskkonnajuhtimise, kaitsekavade seire ja merekaitsepoliitika väljatöötamise otsuste tegemiseks.
Lisaks panustavad Eurofins Cavendish ja teised tööstusharu esindajad uute eDNA-metoodikate väljatöötamisse ja täiustamisse , kohandades neid erinevatele maatriksitele (merevesi, magevesi, setted, õhk) ja mitmesugustele taksonoomilistele rühmadele. Sel viisil muutub tehnika täpsemaks, tõhusamaks ja kättesaadavamaks üha laienevale kasutajaskonnale.
Organisatsioonidele, kes on huvitatud seda tüüpi analüüsi rakendamisest, pakub koostöö spetsialiseeritud laboritega kiiret võimalust keskkonnageneetika oma projektidesse kaasata , ilma et oleks vaja luua oma keerukat infrastruktuuri. See lihtsustab nii väikestel organisatsioonidel kui ka suurtel institutsioonidel eDNA eeliste ärakasutamist.
Teavitustöö roll: eDNA mõistmine väljaspool laborit
eDNA kiire levikuga on kaasnenud märkimisväärsed jõupingutused teavitustöös ja teadushariduses . Üks näide on NOAA Atlandi okeanograafia ja meteoroloogia labori (AOML) töö, mis on välja töötanud õppevideote sarja pealkirjaga "Keskkonna-DNA uurimine", mis on saadaval labori veebisaidil ja YouTube'i kanalil.
See sari selgitab lihtsate sõnadega, mis on keskkonna-DNA, kuidas seda proovide võtmise teel kogutakse ja kuidas seda kasutatakse , keskendudes peamiselt ookeanile. See tutvustab AOML-is väljatöötatud proovivõtutehnoloogiaid, tutvustab praktilisi DNA ekstraheerimise tegevusi ja illustreerib rakendusi, mis on seotud bioloogilise mitmekesisuse, invasiivsete liikide ja ohustatud liikidega.
Projektis on osalenud magistrandid, näiteks Megan Deehan Miami Ülikooli Rosenstieli Mere- ja Atmosfääriteaduste Koolist , kes läbis AOML-is teaduskommunikatsiooni praktika, ning NOAA ja Mere- ja Atmosfääriuuringute Koostööinstituudi (CIMAS) teadlased. Sellised algatused aitavad molekulaarbioloogiat lähemale tuua laiemale avalikkusele, õpetajatele ja tulevastele teadlastele.
eDNA põhitõdede põhjalik mõistmine mitte ainult ei inspireeri teaduslikke kutsumusi, vaid aitab ka juhtidel, tehnikutel ja avalikkusel paremini mõista selle tööriista võimalusi ja piiranguid . See aitab vältida ebareaalseid ootusi ja edendab vastutustundlikku ja teadlikku kasutamist merekeskkonna haldamisel.
Laborite, haldusasutuste, ettevõtete ja kodanikuühiskonna vaheline dialoog on võtmetähtsusega, et tagada ookeanide kaitse ja majandamise otsuste põhinemine iga juhtumi jaoks sobivatel usaldusväärsetel andmetel ja metoodikal, ning eDNA-d konfigureeritakse selle uue tõenduspõhise lähenemisviisi üheks alustalaks.
Kõik eelnev näitab, et keskkonna-DNA-st on saanud mereökosüsteemide seire keskne tööriist , millel on võime võimsalt täiendada traditsioonilisi meetodeid, parandada raskesti jälgitavate liikide avastamist, laiendada proovivõtu ruumilist ulatust ning anda olulist teavet ookeanide kaitseks ja säästvaks majandamiseks, eeldusel, et sellega kaasnevad head võrdlusandmebaasid, usaldusväärsed protokollid ja tulemuste hoolikas tõlgendamine nende ökoloogilises ja okeanograafilises kontekstis.
