Генетические штрихкоды позволили количественно оценить ключевые популяции в экосистеме кораллового рифа

Почти все разнообразные и красочные рыбы, населяющие коралловые рифы, начинают жизнь как крошечные бесцветные личинки, похожие на головастиков. Отличить один вид от другого почти невозможно даже для экспертов, что создаёт серьёзную проблему для изучения экологии рифов. Профессор Ротем Сорек из Института Вейцмана, профессор Рой Хольцман из Школы зоологии и Музея естественной истории им. Штейнхардта (Тель-Авивский университет) и доктор Моше Кифлави из Университета Бен-Гуриона разработали метод точного определения видового состава личинок в воде вокруг рифов. Их исследование, включавшее генетическое «штрихкодирование» почти всех видов рыб в заливе между Эйлатом и Акабой, показало не только какие личинки присутствуют, но и их количество, сезонность и распределение по глубинам. Работа опубликована в журнале Nature Ecology & Evolution.

Понимание типов и распределения личинок важно по нескольким причинам. Только личинки рассеиваются течениями, в то время как взрослые рыбы рифа обычно остаются рядом с домом. Для морских экологов личинки — неотъемлемая часть экосистемы и её будущее. Поскольку количество личинок может указывать на будущие популяции взрослых рыб, их мониторинг полезен и для управления рыболовством.

Исследователи использовали научно-исследовательское судно IUI, оснащённое оборудованием для отбора проб личинок на заданных глубинах. Пробы брали дважды в месяц в течение года на различных участках и глубинах у обоих побережий узкого залива и в его глубокой центральной части. Было собрано более 10 000 личинок. Традиционные методы (микроскопия и подсчёт шипов) позволяют определить лишь семейство, но не вид, и требуют много времени.

Лаборатория Сорека, обычно работающая с бактериальными геномами, предложила использовать методы геномных исследований для идентификации личинок путём секвенирования «штрихкода» из их геномов. Исследователи адаптировали эти техники для рыбьих личинок.

Но сначала необходимо было создать базу данных «штрихкодов» для всех рифовых рыб залива. Команда ныряла в заливе, чтобы взять образцы плавников взрослых рыб для анализа ДНК. В итоге была создана база штрихкодов для около 80% основных видов рыб (420 из примерно 540), обитающих на рифе. Генетическое штрихкодирование основано на сравнении последовательностей одного специфического гена, который варьируется от вида к виду.

Секвенирование геномов личинок проводилось в Stephen and Nancy Grand Israel National Center for Personalized Medicine. Для анализа больших образцов использовали метагеномный подход: всю ДНК в каждом образце секвенировали вместе, независимо от того, содержал ли он одну или 500 личинок. Учёные разработали «трюк», сопоставляющий изображения личинок с их последовательностью ДНК, что позволило точно определить количество особей каждого вида в пробе. Для этого пришлось секвенировать триллионы пар оснований ДНК.

Всего команда секвенировала геномы около 10 000 личинок в 400 различных образцах. В результате была создана своего рода карта, показывающая для каждого вида его количество, время года, местоположение и глубину.

Новый подход позволил анализировать тысячи личинок с гораздо более высоким разрешением, чем раньше, и выявлять экологические различия между видами. Например, если считалось, что личинки одного семейства живут как на мелководье, так и на глубине, теперь можно увидеть, что одни виды предпочитают мелководье, а другие — глубину, что влияет на их выживание и расселение.

Результаты также помогли решить несколько загадок. Например, инвазию в Средиземное море рыбы-ежа Spiny blaasop. Взрослые особи живут на глубине в несколько сотен метров, но, вероятно, пересекают Суэцкий канал глубиной всего около 25 метров. Исследование показало, что личинки могут обитать на мелководье, и, вероятно, именно они перемещаются по судоходным путям. В пробах также обнаружили личинок рыб, обитающих южнее в Красном море, но не во взрослом состоянии в заливе. Это открытие ставит новые вопросы о том, почему эти личинки не достигают там зрелости.

Хотя начальный процесс был трудоёмким, теперь у учёных есть отличный инструмент для мониторинга здоровья рифовой экосистемы, и другие исследователи рифов могут последовать этому примеру.