Экологическая ДНК - Environmental DNA - Wikipedia

В этом примере рыба оставляет свою эДНК, когда она движется по воде, но ее эДНК со временем медленно рассеивается.

Экологическая ДНК или же Эдна является ДНК который собирается из различных образцов окружающей среды, таких как почва, морская вода, снег или даже воздуха [1] а не непосредственно взятые из отдельного организма. Когда различные организмы взаимодействуют с окружающей средой, ДНК изгоняется и накапливается в их окружении. Примеры источников эДНК включают, но не ограничиваются ими, кал, слизь, гаметы, сбросить кожу, туши и волосы.[2] Такие образцы могут быть проанализированы высокопроизводительным Секвенирование ДНК методы, известные как метагеномика, метабаркодирование, и одновидовое обнаружение,[3] для быстрого измерения и мониторинга биоразнообразие. Чтобы лучше различать организмы в образце, ДНК метабаркодирование используется для анализа образца и использования ранее изученных библиотек ДНК для определения присутствующих организмов (например, ВЗРЫВ ).[4] Анализ электронной ДНК имеет большой потенциал не только для мониторинга распространенных видов, но и для генетического обнаружения и идентификации других существующих видов, которые могут повлиять на усилия по сохранению.[5] Этот метод позволяет проводить биомониторинг, не требуя сбора живых организмов, создавая возможность изучать организмы, которые являются инвазивными, неуловимыми или находящимися под угрозой исчезновения, без антропогенной нагрузки на организм. Доступ к этой генетической информации вносит решающий вклад в понимание размера популяции, распространение видов, и динамика населения для видов, плохо документированных. Целостность образцов эДНК зависит от их сохранности в окружающей среде. Почва, вечная мерзлота, пресная и морская вода являются хорошо изученными макросредами, из которых были извлечены образцы эДНК, каждая из которых включает гораздо больше кондиционированных субсреды.[6] Благодаря своей универсальности eDNA применяется во многих субсреды такие как отбор проб пресной воды, отбор проб морской воды, отбор проб наземной почвы (вечная мерзлота тундры), отбор проб водной почвы (реки, озера, пруд и океанические отложения),[7] или в других средах, где обычные процедуры отбора проб могут стать проблематичными.[6]

Коллекция

Земные отложения

Важность анализа eDNA проистекает из признания ограничений, представленных культура исследования на основе.[5] Организмы приспособились к процветанию в определенных условиях своей естественной среды обитания. Хотя ученые работают над имитацией этой среды, многие микробные организмы нельзя удалить и культивировать в лабораторных условиях.[6] Самая ранняя версия этого анализа началась с рибосомальной РНК (рРНК ) в микробах, чтобы лучше понять микробы, живущие во враждебной среде.[8] В таком случае генетический состав некоторых микробов доступен только с помощью анализа электронной ДНК. Аналитические методы eDNA были впервые применены к земные отложения получение ДНК как вымерших, так и существующих млекопитающих, птиц, насекомых и растений.[9] Образцы, извлеченные из этих наземных отложений, обычно упоминаются как «осадочная древняя ДНК» (седаДНК или грязьДНК).[10] Анализ электронной ДНК также можно использовать для изучения существующих лесных сообществ, включая все, от птиц и млекопитающих до грибов и червей.[6]

Водные отложения

Впоследствии sedaDNA была использована для изучения разнообразия древних животных и подтверждена с использованием известных летописей окаменелостей в водных отложениях.[6] Водные отложения лишены кислорода и, таким образом, защищают ДНК от разложения.[6] Помимо древних исследований, этот подход можно использовать для понимания современного разнообразия животных с относительно высокой чувствительностью. В то время как в типичных образцах воды ДНК может разрушаться относительно быстро, образцы водных отложений могут иметь полезную ДНК через два месяца после появления вида.[11] Одна из проблем с водными отложениями заключается в том, что неизвестно, где организм отложил эДНК, поскольку она могла перемещаться в толще воды.

Водный (водяной столб)

Изучение eDNA в водной толще может указать на состав сообщества водоема. До появления электронной ДНК основными способами изучения разнообразия открытой воды было использование рыбной ловли и ловли в ловушку, что требует таких ресурсов, как финансирование и квалифицированная рабочая сила, тогда как для электронной ДНК нужны только образцы воды.[7] Этот метод эффективен как pH Вода не влияет на ДНК так сильно, как считалось ранее, и чувствительность можно относительно легко повысить.[7][12] Чувствительность - это степень вероятности присутствия маркера ДНК в отобранной воде, и ее можно повысить, просто взяв больше образцов, взяв образцы большего размера и увеличив ПЦР.[12] eDNA относительно быстро разлагается в толще воды, что очень полезно при краткосрочных исследованиях по сохранению, таких как определение присутствующих видов.[6]

Исследователи из Район экспериментальных озер в Онтарио, Канада и Университет Макгилла обнаружили, что распределение эДНК отражает стратификация озера.[13] Поскольку времена года и температура воды меняются, плотность воды также изменяется так, что образует отдельные слои в небольших бореальный озера летом и зимой. Эти слои смешивание весной и осенью.[14] Среда обитания рыб использовать корреляты для стратификации (например, холодноводные рыбы, такие как Озерная форель останутся в холодной воде), как и распределение eDNA, как обнаружили эти исследователи.[13]

Снежные трассы

Исследователи дикой природы в заснеженных районах также используют образцы снега для сбора и извлечения генетической информации об интересующих видах. ДНК из образцов снежных следов использовалась для подтверждения присутствия таких неуловимых и редких видов, как белые медведи, песцы, рыси, росомахи и рыбаки.[15][16][17]

Заявление

eDNA может использоваться для мониторинга видов в течение года и может быть очень полезна для мониторинга сохранения.[18][19] Анализ eDNA оказался успешным в идентификации многих различных таксонов водных растений,[20] Рыбы,[19] моллюски,[18] грибы [21][22] и даже паразиты.[23][8] eDNA использовалась для изучения видов при минимизации любого стресса, вызывающего взаимодействие человека, что позволяет исследователям более эффективно отслеживать присутствие видов в более крупных пространственных масштабах.[24][25] Наиболее распространенное использование в текущих исследованиях - использование электронной ДНК для изучения местонахождения видов, подверженных риску, инвазивных видов и ключевых видов во всех средах.[24] eDNA особенно полезна для изучения видов с небольшими популяциями, потому что eDNA достаточно чувствительна, чтобы подтвердить присутствие вида с относительно небольшими усилиями по сбору данных, что часто можно сделать с образцом почвы или воды.[5][24] eDNA полагается на эффективность геномного секвенирования и анализа, а также на используемые методы обследования, которые продолжают становиться все более эффективными и дешевыми.[26] Некоторые исследования показали, что образцы эДНК, взятые из ручья и прибрежной среды, распадались до неопределяемого уровня примерно в течение 48 часов.[27][28]

Экологическая ДНК может применяться в качестве инструмента для обнаружения малочисленных организмов как в активных, так и в пассивных формах. Активные обзоры электронной ДНК нацелены на отдельные виды или группы таксонов для обнаружения с использованием высокочувствительных количественных методов в реальном времени ПЦР [29] или же цифровая капельная ПЦР маркеры.[30] Методология CRISPR-Cas также применялась для обнаружения отдельных видов по eDNA;[31] использование фермента Cas12a и обеспечение большей специфичности при обнаружении симпатрических таксонов. Пассивные обзоры eDNA используют массово-параллельное секвенирование ДНК для амплификации всех молекул eDNA в образце без априори цель - предоставить общие данные ДНК о составе биотического сообщества.[32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фицетола, Джентиле Франческо; Мяуд, Клод; Помпанон, Франсуа; Таберле, Пьер (2008). «Обнаружение видов с использованием ДНК окружающей среды из проб воды». Письма о биологии. 4 (4): 423–425. Дои:10.1098 / рсбл.2008.0118. ISSN  1744-9561. ЧВК  2610135. PMID  18400683.
  2. ^ "Что такое эДНК?". Фонд пресноводных сред обитания.
  3. ^ Томсен, Филип Фрэнсис; Виллерслев, Эске (2015). Экологическая ДНК - новый инструмент в области сохранения биоразнообразия в прошлом и настоящем. ISBN  9781118169483. OCLC  937913966.
  4. ^ Фенер, Николь (2016). «Крупномасштабный мониторинг растений посредством метабаркодирования ДНК в почве: восстановление, разрешение и аннотации четырех ДНК-маркеров». PLOS ONE. 11 (6): 1–16. Дои:10.1371 / journal.pone.0157505. ISSN  1932-6203. ЧВК  4911152. PMID  27310720 - через Справочник журналов открытого доступа.
  5. ^ а б c Боманн, Кристина; Эванс, Алиса; Гилберт, М. Томас П .; Карвалью, Гэри Р.; Крир, Саймон; Кнапп, Майкл; Ю, Дуглас В .; де Брюн, Марк (2014-06-01). «Экологическая ДНК для биологии дикой природы и мониторинга биоразнообразия». Тенденции в экологии и эволюции. 29 (6): 358–367. Дои:10.1016 / j.tree.2014.04.003. ISSN  1872-8383. PMID  24821515.
  6. ^ а б c d е ж грамм Томсен, Филип Фрэнсис; Виллерслев, Эске (01.03.2015). «Экологическая ДНК - новый инструмент в области сохранения для мониторинга прошлого и настоящего биоразнообразия». Биологическое сохранение. Специальный выпуск: Экологическая ДНК: новый мощный инструмент для сохранения биоразнообразия. 183: 4–18. Дои:10.1016 / j.biocon.2014.11.019.
  7. ^ а б c Цудзи, Сацуки (2016). «Влияние pH воды и обработки протеиназой K на выход ДНК окружающей среды из образцов воды». Лимнология. 18: 1–7. Дои:10.1007 / s10201-016-0483-x. ISSN  1439-8621. S2CID  44793881.
  8. ^ а б Басс, Дэвид (2015). «Разнообразные применения методов ДНК окружающей среды в паразитологии». Тенденции в паразитологии. 31 (10): 499–513. Дои:10.1016 / j.pt.2015.06.013. PMID  26433253.
  9. ^ Виллерслев, Эске; Hansen, Anders J .; Бинладен, Йонас; Бренд, Тина Б .; Гилберт, М. Томас fP .; Шапиро, Бет; Банс, Майкл; Виуф, Карстен; Гиличинский, Давид А. (02.05.2003). «Разнообразные генетические записи растений и животных из отложений голоцена и плейстоцена». Наука. 300 (5620): 791–795. Bibcode:2003Наука ... 300..791Вт. Дои:10.1126 / science.1084114. ISSN  0036-8075. PMID  12702808. S2CID  1222227.
  10. ^ Андерсен, Кеннет; Птица, Карен Лиз; Расмуссен, Мортен; Хайли, Джеймс; Бройнинг-Мадсен, Хенрик; Kjaer, Kurt H .; Орландо, Людовик; Гилберт, М. Томас П .; Виллерслев, Эске (2012-04-01). «Мета-штрих-кодирование« грязной »ДНК из почвы отражает биоразнообразие позвоночных». Молекулярная экология. 21 (8): 1966–1979. Дои:10.1111 / j.1365-294X.2011.05261.x. ISSN  1365–294X. PMID  21917035. S2CID  43351435.
  11. ^ Тернер, Кэмерон Р. (2014). «Экологическая ДНК рыб больше сконцентрирована в водных отложениях, чем в поверхностных водах». Биологическое сохранение. 183: 93–102. Дои:10.1016 / j.biocon.2014.11.017. ISSN  0006-3207.
  12. ^ а б Шульц, Мартин (2015). «Моделирование чувствительности полевых исследований для обнаружения ДНК окружающей среды (еДНК)». PLOS ONE. 10 (10): 1–16. Дои:10.1371 / journal.pone.0141503. ISSN  1932-6203. ЧВК  4624909. PMID  26509674.
  13. ^ а б Littlefair, Joanne E .; Hrenchuk, Lee E .; Бланчфилд, Пол Дж .; Ренни, Майкл Д .; Кристеску, Мелания Э. (26 апреля 2020 г.). «Термическая стратификация и тепловые предпочтения рыб объясняют вертикальное распределение эДНК в озерах». bioRxiv: 2020.04.21.042820. Дои:10.1101/2020.04.21.042820. PMID  32888228. S2CID  218466213.
  14. ^ «Как и почему озера расслаиваются и переворачиваются: мы объясняем науку». Район экспериментальных озер МИУР. 2018-05-16. Получено 2020-07-14.
  15. ^ «Арно Лье из WWF об измерении популяций диких животных». Всемирный фонд дикой природы. Получено 2018-11-26.
  16. ^ «Электронная ДНК - больше не только для рыбаков-биологов». дикая природа.org. 2017-12-08. Получено 2018-11-26.
  17. ^ Рот, Энни (2018-11-19). «Как ДНК из снега помогает ученым отслеживать неуловимых животных». Национальная география. Получено 2018-11-26.
  18. ^ а б Стокл, Бернхард (2016). «Экологическая ДНК как инструмент мониторинга пресноводной жемчужницы, находящейся под угрозой исчезновения (Margaritifera margaritifera L.): замена классических подходов к мониторингу?». Сохранение водных ресурсов: морские и пресноводные экосистемы. 26 (6): 1120–1129. Дои:10.1002 / aqc.2611.
  19. ^ а б Соуза, Лесли (2016). «Вероятность обнаружения ДНК в окружающей среде (еДНК) зависит от сезонной активности организмов». PLOS ONE. 11 (10): 1–15. Bibcode:2016PLoSO..1165273D. Дои:10.1371 / journal.pone.0165273. ISSN  1932-6203. ЧВК  5077074. PMID  27776150.
  20. ^ Саэко, Мацухаши (2016). «Оценка метода ДНК окружающей среды для оценки распространения и биомассы погруженных водных растений». PLOS ONE. 11 (6): 1–14. Bibcode:2016PLoSO..1156217M. Дои:10.1371 / journal.pone.0156217. ISSN  1932-6203. ЧВК  4909283. PMID  27304876.
  21. ^ Тедерсоо, Лехо; Бахрам, Мохаммад; Пылме, Сергей; Кылъялг, Урмас; Yorou, Nourou S .; Виджесундера, Рави; Руис, Луис Вильярреал; Vasco-Palacios, Aída M .; Чт, Фам Куанг (28 ноября 2014 г.). «Мировое разнообразие и география почвенных грибов» (PDF). Наука. 346 (6213): 1256688. Дои:10.1126 / science.1256688. HDL:10447/102930. ISSN  0036-8075. PMID  25430773. S2CID  206559506.
  22. ^ Детеридж, Эндрю Пол; Комонт, Дэвид; Каллаган, Тони Мартин; Буссел, Дженнифер; Брэнд, Грэм; Гвинн-Джонс, Дилан; Скаллион, Джон; Гриффит, Гарет Вин (июнь 2018 г.). «Растительные и эдафические факторы влияют на быстрое установление отдельных грибковых сообществ на бывших угольных отвалах». Грибковая экология. 33: 92–103. Дои:10.1016 / j.funeco.2018.02.002. ISSN  1754-5048.
  23. ^ Джонс, Рис Алед; Брофи, Питер М .; Дэвис, Челси Н .; Дэвис, Тери Э .; Эмберсон, Холли; Рис Стивенс, Полин; Уильямс, Хефин Вин (2018-06-08). «Обнаружение ДНК Galba truncatula, Fasciola hepatica и Calicophoron daubneyi окружающей среды в водных источниках на пастбищах, будущий инструмент для борьбы с двуустками?». Паразиты и векторы. 11 (1): 342. Дои:10.1186 / s13071-018-2928-z. ISSN  1756-3305. ЧВК  5994096. PMID  29884202.
  24. ^ а б c Бергман, Пол С .; Шумер, Грегг; Бланкеншип, Скотт; Кэмпбелл, Элизабет (2016). «Обнаружение взрослых зеленых осетровых с помощью анализа ДНК в окружающей среде». PLOS ONE. 11 (4): 1–8. Bibcode:2016PLoSO..1153500B. Дои:10.1371 / journal.pone.0153500. ISSN  1932-6203. ЧВК  4838217. PMID  27096433.
  25. ^ "Руководство по экологической ДНК (eDNA) от Biomeme". Биомема.
  26. ^ Ван, Синкунь (2016). Анализ данных секвенирования нового поколения. Бока-Ратон: CRC Press. ISBN  9781482217889. OCLC  940961529.
  27. ^ Сеймур, Мэтью; Дюранс, Изабель; Косби, Бернард Дж .; Рэнсом-Джонс, Эмма; Дейнер, Кристи; Ормерод, Стив Дж .; Colbourne, John K .; Уилгар, Грегори; Карвалью, Гэри Р. (22 января 2018 г.). «Кислотность способствует деградации многовидовой ДНК окружающей среды в лотических мезокосмах». Биология коммуникации. 1 (1): 4. Дои:10.1038 / с42003-017-0005-3. ISSN  2399-3642. ЧВК  6123786. PMID  30271891.
  28. ^ Коллинз, Руперт А .; Wangensteen, Owen S .; О'Горман, Эоин Дж .; Мариани, Стефано; Симс, Дэвид В .; Геннер, Мартин Дж. (2018-11-05). «Сохранение экологической ДНК в морских системах». Биология коммуникации. 1 (1): 185. Дои:10.1038 / с42003-018-0192-6. ISSN  2399-3642. ЧВК  6218555. PMID  30417122.
  29. ^ «Платформа TripleLock ™ - прецизионный биомониторинг». Экологические услуги ДНК. Получено 2019-02-12.
  30. ^ Хантер, Маргарет Э .; Дорацио, Роберт М .; Баттерфилд, Джон С. С .; Мейгс-Френд, Гайя; Нико, Лео Г .; Ферранте, Джейсон А. (20 ноября 2016 г.). «Пределы обнаружения количественных и цифровых ПЦР-анализов и их влияние в исследованиях наличия-отсутствия ДНК окружающей среды». Ресурсы по молекулярной экологии. 17 (2): 221–229. Дои:10.1111/1755-0998.12619. ISSN  1755-098X. PMID  27768244.
  31. ^ Уильямс, Молли-Энн; О'Грейди, Джойс; Болл, Бернард; Карлссон, Йенс; Эйто, Эльвира де; Макгиннити, Филип; Дженнингс, Элеонора; Риган, Фиона; Парл-Макдермотт, Энн (2019). «Применение CRISPR-Cas для идентификации отдельных видов по ДНК окружающей среды». Ресурсы по молекулярной экологии. 19 (5): 1106–1114. Дои:10.1111/1755-0998.13045. ISSN  1755-0998. PMID  31177615.
  32. ^ Возможности в науках об океане. Вашингтон, округ Колумбия: National Academies Press. 1998-01-01. Дои:10.17226/9500. ISBN  9780309582926.

внешняя ссылка