Чтение генетической подписи морского гребешка
Морской гребешок — один из самых прибыльных промыслов в штате Мэн, его стоимость в 2016 году составила почти $7 млн. Промысел также является одним из самых локальных: небольшие «дневные» лодки работают недалеко от берега.
Объемы вылова (и популяции) колебались с пиками в середине 1980-х и 1990-х годов. После резкого спада в начале 2000-х штат внедрил адаптивное управление, закрыв одни участки и установив тщательный мониторинг других. Подход оказался успешным — вылов значительно вырос, хотя точные причины неясны, и остаётся много вопросов. Защищает ли закрытие нерестилища процесс размножения? Сколько времени нужно для восстановления популяции? Означает ли большой размер нерестилища его здоровье? Все ли нерестилища одинаково продуктивны?
Скайлар Байер, защитившая весной докторскую диссертацию по морской биологии в Университете Мэна, шесть лет изучала гребешков в лаборатории Ричарда Валя в Дарлингском морском центре. Её исследование посвящено вопросам размножения гребешков. Они являются нерестовыми животными с наружным оплодотворением: выпускают яйцеклетки и сперматозоиды в воду, где оплодотворение происходит случайным образом.
Байер изучала нерест гребешков в лабораторных и полевых экспериментах, манипулируя температурой для его индукции и взвешивая репродуктивные органы. Однако даже под микроскопом сложно отличить яйцеклетки, сперматозоиды, эмбрионы и личинки гребешков от таковых других двустворчатых моллюсков. Как же учёным понять, что происходит в открытом океане?
Эти вопросы, доступность новых аналитических методов и поддержка Валя привели Байер в область количественного детектирования ДНК и к сотрудничеству с Питером Каунтвеем, микробным экологом из Лаборатории Бигелоу. Каунтвей изучает микроскопические организмы. Работа с Байер над гребешками стала возможностью исследовать более крупные планктонные организмы (метазоа), такие как яйцеклетки, сперматозоиды и личинки гребешков.
«Обычно я отбрасываю последовательности ДНК от более крупных объектов, метазоа и макрофауны, но в них может быть важная информация. Возможность детектировать микробную стадию метазоа внезапно открывает окно в сферу нереста и оседания, которая раньше была чёрным ящиком», — сказал Каунтвей.
При финансовой поддержке Maine Sea Grant учёные начали проект по детекции нереста без необходимости отлова, мечения, вскрытия или сбора гребешков, как того требуют традиционные методы. Их первой задачей было секвенировать определённый участок ДНК гребешка, что раньше не делалось. Затем они разработали методику на основе количественной полимеразной цепной реакции (qPCR), которая использует три фрагмента ДНК для поиска и амплификации ДНК гребешка на фоне миллионов других типов ДНК в окружающей среде.
Затем нужно было определить, можно ли обнаружить ДНК гребешка в обычном образце морской воды. Естественная концентрация его клеток в океане может быть слишком мала. Преимущество нового теста — способность увеличивать количество ДНК гребешка в образце на несколько порядков, позволяя детектировать её по флуоресценции. Метод успешно обнаружил нерестящихся гребешков в лаборатории Дарлингского центра. Учёные получили дополнительные гранты для испытаний в реальных условиях.
В августе Байер и Каунтвей разместили сети со взрослыми гребешками у причала Лаборатории Бигелоу и два месяца собирали пробы воды вокруг, чтобы определить фоновый уровень клеток гребешка и попытаться зафиксировать рост количества его генов во время естественного нереста.
Нерест у побережья Мэна часто происходит после пика температуры воды в конце лета (август-сентябрь). События нереста могут быть быстрыми (менее часа), поэтому Байер пришлось собрать много проб и вскрыть часть гребешков для подтверждения нереста и сравнения с пробами воды.
В течение следующих двух месяцев учёные будут экстрагировать ДНК из образцов, чтобы определить, удалось ли зафиксировать события нереста.
«Попытка зафиксировать нерест в поле в реальном времени рискованна и требует много усилий, но результат того стоит. Если мы сможем детектировать нерест этим методом, это откроет новую дверь для понимания репродукции и популяционной динамики морских животных», — сказала Байер.
Растёт интерес к методам экологической ДНК (e-DNA) для оценки биоразнообразия, обнаружения инвазивных или токсичных видов, изучения миграций. Следы жизни повсюду, они показывают, где были животные и, в случае нерестящихся гребешков, чем они занимались. Учёным больше не нужно видеть или ловить вид, чтобы знать о его присутствии.
Перспективы e-DNA — фокус предварительной заявки под руководством Дэвида Эмерсона из Лаборатории Бигелоу, которая была отобрана для разработки в полное предложение (Track 1) для программы NSF EPSCoR в 2018 году. Университет Мэна будет тесно сотрудничать с Лабораторией Бигелоу и другими морскими исследовательскими организациями штата в этом направлении.