Okeanski život je u velikoj mjeri skriven od pogleda. Praćenje onoga što živi tamo gdje je skupo - obično zahtijevaju velike čamce, velike mreže, kvalificirano osoblje i puno vremena. Nova tehnologija koja koristi ono što se naziva okolišni DNA dobiva oko nekih od tih ograničenja, osiguravajući brz, pristupačan način da se shvati što je prisutno ispod vodene površine.
Povezani sadržaj
- Kako znanstvenici koriste tinejdžerske komade ostatka DNK za rješavanje misterija divljine
Ribe i druge životinje izbacuju DNK u vodu u obliku stanica, sekreta ili izlučevina. Prije otprilike 10 godina, istraživači u Europi prvi su pokazali da male količine ribnjaka sadrže dovoljno slobodno plutajuće DNK za detekciju domaćih životinja.
Nakon toga, istraživači su tražili vodenu eDNA u više slatkovodnih sustava, a odnedavno i u znatno većim i složenijim morskim sredinama. Iako je princip vodene eDNA dobro uspostavljen, tek počinjemo istraživati njegov potencijal otkrivanja riba i njihovog obilja u pojedinim morskim sredinama. Ova tehnologija obećava mnoge praktične i znanstvene primjene, od pomaganja u postavljanju održivih kvota za ribu i procjene zaštite ugroženih vrsta do procjene utjecaja vjetroelektrana na moru.
Tko je u Hudsonu, kada?
U našoj novoj studiji moji kolege i ja testirali smo koliko dobro vodena eDNA može otkriti ribu u ušću rijeke Hudson koja okružuje New York City. Unatoč tome što je najuzvišeniji urbanizirani ušće u Sjevernoj Americi, kvaliteta vode dramatično se poboljšala tijekom posljednjih desetljeća, a estuarij je dijelom obnovio svoju ulogu kao osnovno stanište mnogih ribljih vrsta. Poboljšano zdravlje lokalnih voda ističe se sada već redovitim padom grbavih kitova koji se hrane velikim školama atlantskog mostara na granicama luke New York, unutar mjesta Empire State Building.
Priprema se za bacanje kante za sakupljanje u rijeku. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Naša je studija prvo snimanje proljetnih migracija morskih riba provođenjem DNK testova na uzorcima vode. Skupljali smo jednu litru (otprilike četvrtine) uzoraka vode na dva gradska mjesta od siječnja do srpnja 2016. Budući da je obala Manhattana oklopljena i uzdignuta, bacili smo kantu na užetu u vodu. Zimski uzorci imali su malo ili nimalo eDNA ribe. Početkom travnja otkriven je stalni porast riba, s početkom od 10 do 15 vrsta po uzorku do početka ljeta. Nalazi eDNA-e uvelike su se podudarali s našim postojećim znanjem o kretanju riba, teško osvojenim desetljećima tradicionalnog istraživanja morskog podmetanja.
Naši rezultati pokazuju kvalitetu vodenih eDNA „Zlatnih čarapa“ - čini se da traju upravo potrebno vrijeme. Da je prebrzo nestao, ne bismo ga mogli otkriti. Da traje predugo, ne bismo otkrili sezonske razlike i vjerojatno bismo pronašli DNK mnogih slatkovodnih i otvorenih oceanskih vrsta, kao i one lokalnih ušća riba. Istraživanja sugeriraju da se DNK raspada satima do danima, ovisno o temperaturi, struji i tako dalje.
Sveukupno, dobili smo eDNA koja odgovaraju 42 lokalne morske ribe, uključujući većinu (80 posto) lokalno obilnih ili uobičajenih vrsta. Pored toga, vrste koje smo otkrili, obilne ili uobičajene vrste bile su češće promatrane nego lokalno neuobičajene. Da je vrsta eDNA otkrila podudarnost tradicionalnih opažanja lokalno uobičajenih riba u pogledu obilja dobra je vijest za metodu - podržava eDNA kao indeks broja riba. Očekujemo da ćemo s vremenom moći otkriti sve lokalne vrste - prikupljanjem većih količina, na dodatnim nalazištima u ušću i na različitim dubinama.
Riba je identificirana putem eDNA u uzorku iz New Yorka na istočnoj rijeci New Yorka. (Državni odjel za zaštitu okoliša u New Yorku: alewife (vrsta haringe), prugasti bas, američka jegulja, mumichog; Massachusetts, odjel za ribu i divljač: crni brancin, plavulja, atlantski silverside; ronilački savez New Jerseyja: oyste) Pored lokalnih morskih vrsta, u nekoliko uzoraka pronašli smo i lokalno rijetke ili odsutne vrste. Većina je bila riba koju jedemo - nilski tilapia, atlanski losos, europski brancin („branzino“). Nagađamo da su oni došli iz otpadnih voda - iako je Hudson čišći, kontaminacija kanalizacije i dalje postoji. Ako je tako DNK ušao u ušće u ovom slučaju, tada bi se moglo utvrditi upotrebljava li zaštićena vrsta testirajući svoju otpadnu vodu. Preostala egzotika koju smo pronašli bile su slatkovodne vrste, iznenađujuće rijetke s obzirom na velike, svakodnevne prilive slatke vode u ušće slane vode iz sliva Hudsona.
Filtriranje vode s estuarija natrag u laboratoriju. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analiza gola DNK
Naš protokol koristi metode i opremu standard u laboratoriju za molekularnu biologiju, a slijedi iste postupke koji se koriste, primjerice, za analizu ljudskih mikrobioma.
Nakon prikupljanja, uzorke vode provlačimo kroz filter male veličine pora (0, 45 mikrona) koji zaustavlja suspendirani materijal, uključujući ćelije i fragmente stanica. Izvadimo DNK iz filtra i pojačamo ga pomoću lančane reakcije polimeraze (PCR). PCR je poput "kseroksiranja" određene DNK sekvence, stvarajući dovoljno kopija da se mogu lako analizirati.
Ciljali smo mitohondrijsku DNK - genetski materijal unutar mitohondrija, organele koja stvara staničnu energiju. Mitohondrijska DNA prisutna je u mnogo većim koncentracijama od nuklearne DNK i tako je lakše detektirati. Također ima područja koja su kod svih kralježnjaka ista, što nam olakšava pojačavanje više vrsta.
eDNA i ostale nečistoće ostavljene na filtru nakon što je voda iz estuarija prošla. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Označili smo svaki pojačani uzorak, objedinili uzorke i poslali ih u slijedeće generacije. Znanstvenik i koautor sa Sveučilišta Rockefeller Zachary Charlop-Powers stvorio je bioinformatički cjevovod koji procjenjuje kvalitetu redoslijeda i generira listu jedinstvenih nizova i „pročitanih brojeva“ u svakom uzorku. Toliko smo puta otkrili svaki jedinstveni niz.
Da bi se identificirale vrste, svaki jedinstveni niz uspoređuje se s onima u javnoj bazi podataka GenBank. Naši rezultati u skladu su s brojem riba koji je proporcionalan brojevima riba, ali potrebno je više rada na preciznom odnosu eDNA i obilja ribe. Na primjer, neke ribe mogu proliti više DNK od drugih. Učinci mortaliteta riba, temperatura vode, jaja i larve u odnosu na odrasle oblike također bi mogli biti igrani.
Baš kao i u televizijskim emisijama o kriminalu, identifikacija eDNA temelji se na sveobuhvatnoj i točnoj bazi podataka. U pilot studiji identificirali smo lokalne vrste koje su nedostajale iz baze podataka GenBank ili su imale nepotpune ili neusklađene sekvence. Da bismo poboljšali identifikaciju, izdvojili smo 31 uzorak koji predstavlja 18 vrsta iz znanstvenih kolekcija na Sveučilištu Monmouth, te iz trgovina mamaca i ribarnica. Taj je rad uvelike radio studentica istraživačica i koautorica Lyubov Soboleva, starija osoba iz srednje škole John Bowne u New Yorku. Deponirali smo ove nove sekvence u GenBank, povećavajući pokrivenost baze podataka na oko 80 posto naših lokalnih vrsta.
Sabirna mjesta Studyja na Manhattanu. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Usredotočili smo se na ribe i ostale kralježnjake. Ostale istraživačke skupine primijenile su vodeni eDNA pristup na beskralješnjacima. U principu, tehnikom se može procijeniti raznolikost cijelog života životinja, biljaka i mikroba na određenom staništu. Uz otkrivanje vodenih životinja, eDNA odražava i kopnene životinje u obližnjim vodenim područjima. U našem istraživanju, najčešća divlja životinja otkrivena u vodama New Yorka bio je smeđi štakor, uobičajeni gradski stanovnik.
Buduće studije mogu koristiti autonomna vozila za rutinsko uzorkovanje udaljenih i dubokih mjesta, pomažući nam boljem razumijevanju i upravljanju raznolikošću života oceana.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Mark Stoeckle, stariji znanstveni suradnik u programu za ljudsko okruženje, Sveučilište Rockefeller
