Havlivet er stort sett skjult for synet. Overvåking av det som bor der er kostbart - vanligvis krever store båter, store garn, dyktig personell og god tid. En ny teknologi som bruker det som kalles miljø-DNA, kommer rundt noen av disse begrensningene, og gir en rask og rimelig måte å finne ut hva som er under vannoverflaten.
Relatert innhold
- Hvordan forskere bruker Teeny Bits of Left DNA for å løse dyrelivets mysterier
Fisk og andre dyr kaster DNA i vannet, i form av celler, sekresjoner eller utskillelser. For rundt ti år siden demonstrerte forskere i Europa for første gang at små volum med damvann inneholdt nok fritt flytende DNA til å oppdage bosatte dyr.
Forskere har senere sett etter vannlevende eDNA i flere ferskvannssystemer, og senere i langt større og mer komplekse marine miljøer. Mens prinsippet om akvatisk eDNA er veletablert, begynner vi bare å utforske potensialet for å oppdage fisk og deres overflod i spesielle marine omgivelser. Teknologien lover mange praktiske og vitenskapelige anvendelser, fra å bidra til å sette bærekraftige fiskekvoter og evaluere beskyttelse for truede arter til å vurdere virkningene av havvindparker til havs.
Hvem er i Hudson, når?
I vår nye studie testet kollegene mine og jeg hvor godt vannlevende eDNA kunne oppdage fisk i elvemunningen Hudson River rundt New York City. Til tross for at det er det mest urbaniserte elvemunningen i Nord-Amerika, har vannkvaliteten forbedret seg dramatisk de siste tiårene, og elvemunningen har delvis gjenopprettet sin rolle som essensiell habitat for mange fiskearter. Den forbedrede helsen til lokale farvann fremheves av det nå regelmessige fallet av knølhval som fôrer på store skoler i atlantiske menhaden ved grensene til havnen i New York, innenfor området til Empire State Building.
Forbereder deg på å kaste oppsamlingsbøtten i elven. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Studien vår er den første registreringen av vårmigrasjonen av havfisk ved å utføre DNA-tester på vannprøver. Vi samlet en liter (omtrent en kvarts) vannprøver ukentlig på to bysteder fra januar til juli 2016. Fordi Manhattan-strandlinjen er pansret og hevet, kastet vi en bøtte med et tau i vannet. Vintertidsprøver hadde liten eller ingen fisk eDNA. Fra og med april var det en konstant økning i fisk som ble oppdaget, med omtrent 10 til 15 arter per prøve på forsommeren. Funnene av eDNA samsvarte stort sett med vår eksisterende kunnskap om fiskebevegelser, hardt vunnet fra flere tiår med tradisjonelle seining undersøkelser.
Resultatene våre demonstrerer “Goldilocks” -kvaliteten på vannlevende eDNA - det ser ut til å vare akkurat riktig tid for å være nyttig. Hvis det forsvant for raskt, ville vi ikke kunne oppdage det. Hvis det varte for lenge, ville vi ikke oppdage sesongmessige forskjeller og vil trolig finne DNA-er av mange ferskvanns- og åpne havarter, så vel som for lokal elvemunningsfisk. Forskning antyder at DNA forfaller over timer til dager, avhengig av temperatur, strømmer og så videre.
Til sammen oppnådde vi eDNA som samsvarer med 42 lokale marine fiskearter, inkludert de fleste (80 prosent) av den lokale mengden eller vanlige arter. I tillegg ble det observert hyppige eller vanlige arter av arter som vi oppdaget hyppigere enn lokalt uvanlige. At arten eDNA oppdaget stemte overens med tradisjonelle observasjoner av lokalt vanlig fisk når det gjelder overflod, er gode nyheter for metoden - den støtter eDNA som en indeks over fisketall. Vi forventer at vi etter hvert vil være i stand til å oppdage alle lokale arter - ved å samle større volum, på flere steder i elvemunningen og på forskjellige dyp.
Fisk identifisert via eDNA i en dags prøve fra New York Citys East River. (New York State Department of Environmental Conservation: alewife (sildearter), stripet bass, amerikansk ål, mumichog; Massachusetts Department of Fish and Game: black sea bass, bluefish, Atlantic silverside; New Jersey Scuba Diving Association: oyste) I tillegg til lokale marine arter, fant vi også lokalt sjeldne eller fraværende arter i noen få prøver. De fleste var fisk vi spiser - Nile tilapia, atlantisk laks, europeisk havabbor ("branzino"). Vi spekulerer i at disse kom fra avløpsvann - selv om Hudson er renere, fortsetter kloakkforurensning. Hvis det er slik DNA kom inn i elvemunningen i dette tilfellet, kan det være mulig å bestemme om et samfunn konsumerer beskyttede arter ved å teste avløpsvannet. De gjenværende eksotene vi fant var ferskvannsarter, overraskende få gitt det store, daglige ferskvannsinnstrømningen inn i saltvannsmunningen fra Hudson vannskille.
Filtrering av elvemunningen tilbake i laboratoriet. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analysere det nakne DNA
Protokollen vår bruker metoder og utstyrsstandard i et molekylærbiologilaboratorium, og følger de samme prosedyrene som brukes for å analysere humane mikrobiomer, for eksempel.
Etter oppsamling kjører vi vannprøver gjennom et filter med liten porestørrelse (0, 45 mikron) som feller suspendert materiale, inkludert celler og cellefragmenter. Vi trekker ut DNA fra filteret og forsterker det ved bruk av polymerasekjedereaksjon (PCR). PCR er som å "xeroxing" en bestemt DNA-sekvens, og produserer nok kopier slik at den enkelt kan analyseres.
Vi målrettet mot mitokondriell DNA - det genetiske materialet i mitokondriene, organellen som genererer cellenes energi. Mitokondrialt DNA er til stede i mye høyere konsentrasjoner enn kjernefysisk DNA, og så lettere å oppdage. Den har også regioner som er like i alle virveldyr, noe som gjør det lettere for oss å forsterke flere arter.
eDNA og annet rusk som ble igjen på filteret etter at elvemunningen gikk gjennom. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Vi merket hver forsterkede prøve, samlet prøvene og sendte dem for neste generasjons sekvensering. Rockefeller University forsker og medforfatter Zachary Charlop-Powers opprettet den bioinformatiske rørledningen som vurderer sekvenskvalitet og genererer en liste over de unike sekvensene og "lese tall" i hver prøve. Det er hvor mange ganger vi oppdaget hver unike sekvens.
For å identifisere arter blir hver unike sekvens sammenlignet med de i den offentlige databasen GenBank. Resultatene våre stemmer overens med at lesetallet er proporsjonalt med fisketall, men det trengs mer arbeid med den nøyaktige sammenhengen mellom eDNA og fiskemasse. Noen fisk kan for eksempel kaste mer DNA enn andre. Effektene av fiskedødelighet, vanntemperatur, egg og larvefisk kontra voksne former kan også spille.
Akkurat som i tv-kriminalitetsprogrammer er eDNA-identifikasjon avhengig av en omfattende og nøyaktig database. I en pilotundersøkelse identifiserte vi lokale arter som manglet fra GenBank-databasen, eller som hadde ufullstendige eller uoverensstemmende sekvenser. For å forbedre identifikasjonene, sekvenserte vi 31 eksemplarer som representerte 18 arter fra vitenskapelige samlinger ved Monmouth University, og fra agnbutikker og fiskemarkeder. Dette arbeidet ble i stor grad utført av studentforsker og medforfatter Lyubov Soboleva, senior ved John Bowne High School i New York City. Vi deponerte disse nye sekvensene i GenBank, og økte databasens dekning til omtrent 80 prosent av våre lokale arter.
Studies samlinger på Manhattan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Vi fokuserte på fisk og andre virveldyr. Andre forskningsgrupper har brukt en vannlevende eDNA-tilnærming til virvelløse dyr. I prinsippet kunne teknikken vurdere mangfoldet i alt dyre-, plante- og mikrobielt liv i et bestemt habitat. I tillegg til å oppdage vannlevende dyr, reflekterer eDNA landdyr i nærliggende farvann. I vår studie var det vanligste ville dyret som ble oppdaget i New York City farvann den brune rotta, en vanlig urban denizen.
Fremtidige studier kan benytte autonome kjøretøyer for å rutinemessig prøve eksterne og dype steder, og hjelpe oss med å bedre forstå og håndtere mangfoldet i livet i havet.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Mark Stoeckle, senior forskningsassistent i programmet for det menneskelige miljøet, Rockefeller University
