Het oceaanleven is grotendeels aan het zicht onttrokken. Bewaken waar waar kostbaar is - vereist meestal grote boten, grote netten, bekwaam personeel en veel tijd. Een opkomende technologie die milieu-DNA wordt genoemd, omzeilt een aantal van die beperkingen en biedt een snelle, betaalbare manier om erachter te komen wat er onder het wateroppervlak aanwezig is.
gerelateerde inhoud
- Hoe wetenschappers Teeny Bits of Leftover DNA gebruiken om Wildlife Mysteries op te lossen
Vissen en andere dieren werpen DNA in het water, in de vorm van cellen, secreties of uitwerpselen. Ongeveer tien jaar geleden toonden onderzoekers in Europa voor het eerst aan dat kleine hoeveelheden vijverwater voldoende vrij zwevend DNA bevatten om ingezeten dieren te detecteren.
Onderzoekers hebben vervolgens gezocht naar aquatisch eDNA in meerdere zoetwatersystemen, en meer recent in enorm grotere en complexere mariene omgevingen. Hoewel het principe van aquatisch eDNA goed is ingeburgerd, beginnen we net het potentieel voor het detecteren van vis en hun overvloed in bepaalde mariene omgevingen te verkennen. De technologie belooft veel praktische en wetenschappelijke toepassingen, van het helpen vaststellen van duurzame visquota en het evalueren van bescherming voor bedreigde soorten tot het beoordelen van de effecten van offshore windparken.
Wie zit er in de Hudson?
In onze nieuwe studie hebben mijn collega's en ik getest hoe goed eDNA in het water vissen kon detecteren in de monding van de Hudson River rond New York City. Hoewel het de meest verstedelijkte estuarium in Noord-Amerika is, is de waterkwaliteit de afgelopen decennia dramatisch verbeterd en heeft het estuarium zijn rol als essentiële habitat voor veel vissoorten gedeeltelijk hersteld. De verbeterde gezondheid van de lokale wateren wordt benadrukt door het nu regelmatige uiterlijk van bultruggen die zich voeden met grote scholen van Atlantische menhaden aan de grenzen van de haven van New York, binnen het Empire State Building.
Voorbereiding om de verzamelemmer in de rivier te slingeren. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Onze studie is de eerste opname van voorjaarsmigratie van oceaanvissen door DNA-tests op watermonsters uit te voeren. We verzamelden wekelijks één liter (ongeveer een kwart) watermonsters op twee stadslocaties van januari tot juli 2016. Omdat de kustlijn van Manhattan gepantserd en verhoogd is, gooiden we een emmer op een touw in het water. Wintertijdmonsters hadden weinig of geen vis-eDNA. Begin april werd er een gestage toename van de vis gedetecteerd, met ongeveer 10 tot 15 soorten per monster tegen de vroege zomer. De eDNA-bevindingen kwamen grotendeels overeen met onze bestaande kennis van visbewegingen, die door tientallen jaren traditionele zeeonderzoeken werd gewonnen.
Onze resultaten tonen de "Goudlokje" -kwaliteit van aquatisch eDNA aan - het lijkt precies de juiste tijd te duren om nuttig te zijn. Als het te snel zou verdwijnen, zouden we het niet kunnen detecteren. Als het te lang duurde, zouden we geen seizoensgebonden verschillen detecteren en zouden we waarschijnlijk DNA's vinden van veel zoetwater- en open-oceaansoorten en die van lokale estuariumvissen. Onderzoek suggereert dat DNA in uren tot dagen vervalt, afhankelijk van de temperatuur, stromingen enzovoort.
In totaal hebben we eDNA's verkregen die overeenkomen met 42 lokale zeevissoorten, waaronder de meeste (80 procent) van de lokaal overvloedige of gewone soort. Van soorten die we ontdekten, werden bovendien overvloedige of veel voorkomende soorten vaker waargenomen dan lokaal ongebruikelijke soorten. Dat de soort eDNA die werd gedetecteerd overeenkwam met traditionele waarnemingen van lokaal voorkomende vissen in termen van overvloed, is goed nieuws voor de methode - het ondersteunt eDNA als een index van visaantallen. We verwachten dat we uiteindelijk alle lokale soorten kunnen detecteren - door grotere volumes te verzamelen, op extra locaties in het estuarium en op verschillende diepten.
Vissen geïdentificeerd via eDNA in één dagmonster uit de East River in New York City. (New York State Department of Environmental Conservation: alewife (haring species), gestreepte bas, Amerikaanse paling, mummichog; Massachusetts Department of Fish and Game: zwarte zeebaars, bluefish, Atlantische silverside; New Jersey Scuba Diving Association: oyste) Naast lokale mariene soorten hebben we ook in enkele monsters lokaal zeldzame of afwezige soorten gevonden. De meeste waren vissen die we eten - Nijl tilapia, Atlantische zalm, Europese zeebaars ("branzino"). We speculeren dat deze uit afvalwater kwamen - hoewel de Hudson schoner is, blijft de rioolverontreiniging bestaan. Als het DNA in dit geval in het estuarium is terechtgekomen, is het misschien mogelijk om te bepalen of een gemeenschap beschermde soorten consumeert door het afvalwater te testen. De resterende exoten die we vonden waren zoetwatersoorten, verrassend weinig gezien de grote, dagelijkse zoetwaterinstromen vanuit de Hudson-waterscheiding naar de zoutwatermonding.
Het estuariumwater terug filteren in het laboratorium. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analyse van het naakte DNA
Ons protocol maakt gebruik van methoden en apparatuur standaard in een laboratorium voor moleculaire biologie, en volgt dezelfde procedures die bijvoorbeeld worden gebruikt om menselijke microbiomen te analyseren.
Na het verzamelen voeren we watermonsters door een filter met een kleine poriegrootte (0, 45 micron) dat gesuspendeerd materiaal, inclusief cellen en celfragmenten, vangt. We extraheren DNA uit het filter en versterken het met behulp van polymerasekettingreactie (PCR). PCR is als het "xeroxen" van een bepaalde DNA-sequentie, die voldoende kopieën produceert zodat deze gemakkelijk kan worden geanalyseerd.
We mikten op mitochondriaal DNA - het genetische materiaal in de mitochondriën, het organel dat de energie van de cel genereert. Mitochondriaal DNA is in veel hogere concentraties aanwezig dan nucleair DNA en is dus gemakkelijker te detecteren. Het heeft ook regio's die hetzelfde zijn in alle gewervelde dieren, wat het voor ons gemakkelijker maakt om meerdere soorten te amplificeren.
eDNA en ander vuil zijn achtergebleven op het filter nadat het estuariumwater er doorheen is gegaan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) We hebben elk versterkt monster getagd, de monsters samengevoegd en naar de volgende generatie sequencing gestuurd. Rockefeller University-wetenschapper en co-auteur Zachary Charlop-Powers creëerde de bio-informatica-pijplijn die de sequentiekwaliteit beoordeelt en een lijst genereert van de unieke sequenties en "leesnummers" in elk monster. Dat is het aantal keren dat we elke unieke reeks hebben gedetecteerd.
Om soorten te identificeren, wordt elke unieke reeks vergeleken met die in de openbare database GenBank. Onze resultaten zijn consistent met het leesgetal dat evenredig is met het visaantal, maar er is meer onderzoek nodig naar de precieze relatie tussen eDNA en de hoeveelheid vis. Sommige vissen werpen bijvoorbeeld meer DNA af dan andere. De effecten van vissterfte, watertemperatuur, eieren en larvenvis versus volwassen vormen kunnen ook een rol spelen.
Net als bij tv-misdaadprogramma's is eDNA-identificatie afhankelijk van een uitgebreide en nauwkeurige database. In een pilotstudie hebben we lokale soorten geïdentificeerd die ontbreken in de GenBank-database of onvolledige of niet-overeenkomende sequenties hadden. Om de identificatie te verbeteren, hebben we 31 exemplaren van 18 soorten uit wetenschappelijke collecties aan de Monmouth University, en uit aaswinkels en vismarkten gerangschikt. Dit werk werd grotendeels gedaan door studentonderzoeker en co-auteur Lyubov Soboleva, een senior op de John Bowne High School in New York City. We hebben deze nieuwe sequenties in GenBank gedeponeerd, waardoor de dekking van de database is toegenomen tot ongeveer 80 procent van onze lokale soorten.
Collectiesites van Study in Manhattan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) We hebben ons gericht op vissen en andere gewervelde dieren. Andere onderzoeksgroepen hebben een aquatische eDNA-benadering toegepast bij ongewervelde dieren. In principe zou de techniek de diversiteit van al het dier-, plant- en microbieel leven in een bepaalde habitat kunnen beoordelen. Naast het detecteren van waterdieren reflecteert eDNA landdieren in nabijgelegen stroomgebieden. In onze studie was het meest voorkomende wilde dier dat in de wateren van New York werd ontdekt de bruine rat, een gewone stedelijke burger.
Toekomstige studies kunnen autonome voertuigen gebruiken om routinematig monsters te nemen van afgelegen en diepe locaties, waardoor we de diversiteit van het oceaanleven beter kunnen begrijpen en beheren.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Mark Stoeckle, Senior Research Associate in het programma voor de menselijke omgeving, de Rockefeller University
