ДНК-детективы могут «посчитать» тысячи рыб, используя всего стакан воды
Всего один стакан воды из 4,5-миллионного (1,2 миллиона галлонов) аквариума «Открытое море» в Монтерей-Бэй — одного из 10 крупнейших в мире — позволил ученым идентифицировать тихоокеанского голубого тунца, корифену и большинство других 13 000 рыб, плавающих в нем.
Впервые исследователи также использовали ДНК из проб воды, чтобы определить, какие виды были наиболее многочисленны в аквариуме.
Способность определять относительную численность видов рыб в водоеме — следующий шаг к возможному использованию современных методов идентификации ДНК для переписи рыб в открытом океане, считает Райан Келли, доцент Вашингтонского университета и ведущий автор статьи в выпуске PLOS ONE от 15 января.
В настоящее время большинство ученых для определения присутствующих видов и их пропорций в морской среде используют сети, визуальные наблюдения или другие методы подсчета.
«Вода — это суп из клеток, которые выделяют обитатели», — сказал Келли. Рыбы выделяют клетки с кожи, поврежденных тканей и в виде отходов жизнедеятельности.
«В каждой из этих клеток есть ДНК, и при наличии нужных инструментов можно определить, какому виду принадлежала клетка. Теперь мы работаем над определением относительной численности каждого присутствующего вида».
Всего два года назад была опубликована влиятельная работа ученых, которые с помощью этой «экологической ДНК» или «eDNA» определили присутствие в реке исчезающего вида, который они искали. С тех пор метод использовали для поиска других конкретных видов как в пресной воде, так и в одной морской среде.
«Очевидно, это эффективный инструмент в дикой природе, когда вы знаете, что ищете», — сказал Келли.
Он и его соавторы из Центра решений для океана Стэнфордского университета пошли дальше. Исследователи хотели проверить, насколько хорошо они могут обнаруживать ДНК с помощью одного набора «праймеров» — молекулярных зондов, созданных другой группой за год до этого исследования, которые нацелены на участки ДНК, указывающие на позвоночное животное. Аквариум в Монтерей-Бэй был выбран, потому что его обитатели известны, что позволило сравнить их с тем, что показал новый метод, и оценить его точность. Исследователи проанализировали около двух пинт (≈ 1,1 л) воды, и Келли отметил, что для получения данных о ДНК в аквариуме, вероятно, хватило бы и меньшего образца.
Метод оказался эффективным: он идентифицировал восемь видов костистых рыб в аквариуме и определил, что тунец и сардины составляли наибольшую биомассу, что подтвердили смотрители аквариума. Метод оказался настолько точным, что также обнаружил ДНК давно умерших менхэденов из Атлантического океана — рыб, которые были переработаны, доставлены и добавлены в аквариум в качестве корма. Появление атлантического вида стало неожиданностью, пока исследователи не поняли источник ДНК, после чего они внесли соответствующие поправки в расчеты.
Праймеры не смогли обнаружить ДНК от двух групп позвоночных в аквариуме: черепах и рыб с хрящевым скелетом (скатов и акул). Келли отметил, что такие систематические ошибки детекции неизбежны, что подчеркивает необходимость разработки дополнительных универсальных праймеров.
Определение состава обитателей водоема в океане с помощью экологической ДНК может быть дешевле и менее трудоемким, чем традиционные методы переписи. Этот процесс может помочь ученым, отвечающим за мониторинг и управление водными местообитаниями, выявить появление инвазивных видов до того, как они станут серьезной проблемой, или предоставить способы изучения пищевых сетей и других базовых функций экосистем.
Одним из препятствий для использования этой техники в открытом океане является перемешивание вод течениями, приливами и другими силами. Однако предварительная работа группы в заливе Монтерей показала различия в ДНК между прибрежными участками с морской травой и зарослями водорослей дальше от берега, но все еще в пределах видимости друг друга. Дополнительные полевые испытания запланированы в заливе Сан-Франциско.
Хотя исследования рыб с использованием экологической ДНК начались лишь несколько лет назад, революция в использовании ДНК для обнаружения организмов в конкретных местообитаниях началась в начале 2000-х. С тех пор стоимость секвенирования генов резко упала: с $5300 в 2001 году до примерно 6 центов сегодня, сказал Келли. Микробиологи разрабатывали и использовали методы для изучения бактерий, вирусов и других микроорганизмов в различных средах в течение десятилетия, прежде чем какая-либо исследовательская группа опубликовала результаты по рыбам и другим видимым водным организмам.