Viața oceanului este în mare parte ascunsă din vedere. Monitorizarea a ceea ce trăiește unde este costisitor - necesită de obicei bărci mari, plase mari, personal calificat și mult timp. O tehnologie emergentă care folosește ceea ce se numește ADN-ul de mediu se ridică la unele dintre aceste limitări, oferind o modalitate rapidă și accesibilă de a înțelege ce este prezent sub suprafața apei.
Continut Asemanator
- Modul în care oamenii de știință folosesc teeny bucăți de ADN restant pentru a rezolva misterele faunei sălbatice
Peștii și alte animale aruncă ADN în apă, sub formă de celule, secreții sau excremente. În urmă cu aproximativ 10 ani, cercetătorii din Europa au demonstrat pentru prima dată că volumele mici de apă din iaz conțineau suficient ADN plutitor liber pentru a detecta animale rezidente.
Cercetătorii au căutat ulterior ADNAD acvatic în mai multe sisteme de apă dulce și mai recent în medii marine mult mai mari și mai complexe. În timp ce principiul ADN-ului acvatic este bine stabilit, începem să explorăm potențialul său de detectare a peștilor și a abundenței acestora în anumite zone marine. Tehnologia promite multe aplicații practice și științifice, de la a ajuta la stabilirea unor cote durabile de pește și la evaluarea protecțiilor pentru speciile pe cale de dispariție, până la evaluarea impactului fermelor eoliene în larg.
Cine este în Hudson, când?
În noul nostru studiu, colegii mei și cu mine am testat cât de bine ar putea detecta ADN-ul acvatic în estuarul râului Hudson din jurul orașului New York. În ciuda faptului că este cel mai puternic urbanizat estuar din America de Nord, calitatea apei s-a îmbunătățit dramatic în ultimele decenii, iar estuarul și-a recuperat parțial rolul de habitat esențial pentru multe specii de pești. Sănătatea îmbunătățită a apelor locale este evidențiată de aspectul de cădere acum regulat al balenelor cu cocoașă care se hrănesc cu școli mari din menhadenul Atlantic la granițele portului New York, în cadrul amplasării Empire State Building.
Pregătindu-se să arunce găleata colectoare în râu. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Studiul nostru este prima înregistrare a migrației de primăvară a peștilor oceanici prin efectuarea de teste ADN pe probe de apă. Am colectat probe de apă de un litru (aproximativ un sfert) săptămânal pe două site-uri ale orașului, din ianuarie până în iulie 2016. Deoarece țărmul Manhattan este blindat și ridicat, am aruncat în apă o găleată pe o funie. Eșantioanele de iarnă au avut un ADNd mic de pește. În aprilie a existat o creștere constantă a peștilor detectați, cu aproximativ 10-15 specii pe eșantion până la începutul verii. Descoperirile ADN-ului s-au potrivit în mare măsură cu cunoștințele noastre existente despre mișcările peștilor, câștigate din decenii de sondaje tradiționale de pescuit.
Rezultatele noastre demonstrează calitatea „Goldilocks” a ADN-ului acvatic - se pare că durează doar timpul potrivit pentru a fi util. Dacă ar dispărea prea repede, nu am fi capabili să-l detectăm. Dacă ar dura prea mult, nu am detecta diferențele sezoniere și probabil am găsi ADN-uri ale multor specii de apă dulce și oceanului deschis, precum și ale peștilor estuari locali. Cercetările sugerează că ADN-ul scade în câteva ore, în funcție de temperatură, curenți și așa mai departe.
În total, am obținut ADN-uri care se potrivesc cu 42 de specii locale de pești marine, incluzând majoritatea (80 la sută) din speciile local abundente sau comune. În plus, din speciile pe care le-am detectat, speciile abundente sau comune au fost mai frecvent observate decât cele neobișnuite local. Faptul că această metodă a detectat ADNAD-ul observațiilor tradiționale potrivite ale peștilor obișnuiți din punct de vedere local în ceea ce privește abundența este o veste bună pentru metodă - susține ADNAD ca un indice al numărului de pești. Ne așteptăm să reușim în cele din urmă să detectăm toate speciile locale - colectând volume mai mari, pe situri suplimentare din estuar și la adâncimi diferite.
Pești identificați prin intermediul ADNAD într-o probă de o zi din râul est al orașului New York. (Departamentul de conservare a mediului de stat din New York: alewife (specii de hering), basm cu dungi, anghilă americană, mummichog; Departamentul peștilor și vânatului din Massachusetts: bascul negru, peștele albastru, silueta din Atlantic; Asociația de scufundări din New Jersey: oyste) În plus față de speciile marine locale, am găsit și specii locale rare sau absente în câteva probe. Majoritatea au fost peștii pe care îi mâncăm - tilapia de Nil, somonul atlantic, bascul european („branzino”). Speculăm că acestea provin din apele uzate - chiar dacă Hudson este mai curat, contaminarea apelor reziduale persistă. Dacă în acest caz ADN-ul a ajuns în estuar, atunci ar putea fi posibil să se stabilească dacă o comunitate consumă specii protejate prin testarea apelor reziduale. Exoticele rămase pe care le-am găsit au fost specii de apă dulce, surprinzător de puține, având în vedere fluxurile mari, zilnice de apă dulce în estuarul apei sărate de la bazinul hidrografic Hudson.
Filtrarea apei din estuar în laborator. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analizând ADN-ul gol
Protocolul nostru folosește metode și echipamente standard într-un laborator de biologie moleculară și urmează aceleași proceduri utilizate pentru a analiza microbiomii umani, de exemplu.
După colectare, derulăm probe de apă printr-un filtru de dimensiuni mici de pori (0, 45 microni) care captează materialul suspendat, inclusiv celulele și fragmentele de celule. Extragem ADN din filtru și îl amplificăm folosind reacția în lanț a polimerazei (PCR). PCR este ca „xeroxing” o anumită secvență ADN, producând suficiente copii pentru a putea fi ușor analizat.
Am vizat ADN-ul mitocondrial - materialul genetic din mitocondrie, organela care generează energia celulei. ADN-ul mitocondrial este prezent în concentrații mult mai mari decât ADN-ul nuclear și deci mai ușor de detectat. De asemenea, are regiuni la fel la toate vertebrele, ceea ce ne face mai ușor să amplificăm mai multe specii.
ADNc și alte resturi rămase pe filtru după trecerea apei din estuar. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Am etichetat fiecare eșantion amplificat, am reunit probele și le-am trimis pentru secvențiere de generație următoare. Om de știință și coautor al Universității Rockefeller, Zachary Charlop-Powers, a creat conducta bioinformatică care evaluează calitatea secvenței și generează o listă a secvențelor unice și a „numerelor citite” în fiecare eșantion. Cam de câte ori am detectat fiecare secvență unică.
Pentru identificarea speciilor, fiecare secvență unică este comparată cu cele din baza de date publică GenBank. Rezultatele noastre sunt în concordanță cu faptul că numărul citit este proporțional cu numărul de pești, dar este nevoie de mai multă muncă pentru relația exactă a ADN-ului și a abundenței de pește. De exemplu, unii pești pot vărsa mai mult ADN decât alții. Efectele mortalității peștilor, temperaturii apei, ouălor și peștilor larvare față de formele adulte ar putea fi de asemenea în joc.
La fel ca în emisiunile de crime de televiziune, identificarea ADNc se bazează pe o bază de date cuprinzătoare și precisă. Într-un studiu pilot, am identificat specii locale care lipseau din baza de date GenBank sau care aveau secvențe incomplete sau nepotrivite. Pentru a îmbunătăți identificările, am secvențiat 31 de exemplare reprezentând 18 specii din colecțiile științifice de la Universitatea Monmouth și din magazinele de momeală și piețele de pește. Această lucrare a fost realizată în mare parte de studenții cercetători și coautor Lyubov Soboleva, senior la Liceul John Bowne din New York. Am depus aceste noi secvențe în GenBank, stimulând acoperirea bazei de date la aproximativ 80 la sută din speciile noastre locale.
Siturile de colectare a studiului din Manhattan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Ne-am concentrat asupra peștilor și a altor vertebrate. Alte grupuri de cercetare au aplicat o abordare acneică ADNc asupra nevertebratelor. În principiu, tehnica ar putea evalua diversitatea tuturor vieții animale, vegetale și microbiene într-un anumit habitat. Pe lângă detectarea animalelor acvatice, ADNAD reflectă animalele terestre din bazinele hidrografice din apropiere. În studiul nostru, cel mai comun animal sălbatic detectat în apele orașului New York a fost șobolanul brun, un denizen urban obișnuit.
Studiile viitoare ar putea folosi vehicule autonome pentru eșantionarea de rutină a site-urilor îndepărtate și profunde, ajutându-ne să înțelegem și să gestionăm mai bine diversitatea vieții oceanice.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Mark Stoeckle, asociat principal de cercetare în programul pentru mediu uman, Universitatea Rockefeller
