Čárový kód DNA vodních makrobezobratlých - Aquatic macroinvertebrate DNA barcoding

Čárový kód DNA je alternativní metoda k tradiční morfologické taxonomická klasifikace, a často se používá k identifikaci druhů vodní bezobratlí (obecně považovány za dostatečně velké, aby byly viditelné bez zvětšení). Mnohé jsou zásadní indikátorové organismy při biologickém hodnocení sladké vody (např .: Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera ) a námořní (např. Annelida, Ostnokožci, Měkkýši ) ekosystémy.

Od svého zavedení pole čárových kódů DNA dospělo k překlenutí propasti mezi tradiční taxonomií a molekulární systematikou. Tato technika má schopnost poskytovat podrobnější taxonomické informace, zejména pro kryptické, malé nebo vzácné druhy. Čárové kódování DNA zahrnuje specifické cílení na genové oblasti, které se nacházejí a konzervují u většiny druhů zvířat, ale mají velké rozdíly mezi členy různých druhů. Přesná diagnóza závisí na nízké vnitrodruhové variabilitě ve srovnání s různými druhy, krátké sekvenci DNA, jako je Gen cytochromové podjednotky oxidázy I. (COI), by umožnilo přesné přidělení jednotlivce a taxon.

Metodologie

Zatímco koncept použití divergence sekvencí DNA pro diskriminaci druhů byl popsán dříve, Hebert a kol. (2003) byli průkopníky v navrhování standardizace Čárový kód DNA jako metoda molekulárního rozlišování druhů.[1]

Odběr vzorků pro čárové kódy DNA se neliší od tradičních metod, kromě skutečnosti, že vzorky by měly být konzervovány ve vysoké koncentraci (> 70%) ethanolu.[2] Bylo naznačeno, že typický protokol skladování bentických vzorků ve formalínu má nepříznivý vliv na integritu DNA.[3]

Klíčovým konceptem pro čárové kódování bezobratlých je správný výběr markerů DNA (oblast čárového kódu DNA) k amplifikaci příslušných genových oblastí pomocí PCR techniky. Oblast čárového kódu DNA musí být ideálně konzervována v rámci druhu, ale proměnlivá u různých (i blízce příbuzných) druhů, a proto by její sekvence měla sloužit jako druhově specifická genetická značka. Výběr markeru proto hraje důležitou roli.[4] Gen cytochromové podjednotky oxidázy I. (COI) je jedním z nejpoužívanějších markerů v čárových kódech makroobratlovců. Dalšími markery, které lze použít, jsou ribozomální RNA geny 16S a 18S.

Kromě toho je užitečné třídění bezobratlých do různých velikostních kategorií, protože vzorky ve vzorku se mohou v biomase značně lišit v závislosti na druhu a stádiu života.[5]

Další podrobnosti o metodách viz Čárový kód DNA.

DNA metabarcoding

Kvůli značnému počtu taxonů, které tvoří vodní společenství bezobratlých, DNA metabarcoding metoda se obecně používá k hodnocení odlišných taxonů v hromadných nebo vodních vzorcích. Metabarcoding DNA je metoda, která se skládá ze stejného pracovního postupu jako Čárový kód DNA, se vyznačuje použitím vysoce výkonné sekvenování (HTS) technologie. Potenciál metabarcodingu DNA při hodnocení a monitorování různých taxonomických skupin byl úspěšně prokázán v několika studiích.[6][7] Řada vědců použila metabarcodingové metody ke klasifikaci bentických makroobratlovců ze vzorků tkáně,[8] což naznačuje jeho proveditelnost a vyšší citlivost z klasických metod taxonomie. Ostatní, ověřte použití sekvenování nové generace (NGS) technologie ve vzorcích životního prostředí k hodnocení kvality vody v mořských ekosystémech[9] a ve studiích sladkovodní biologické rozmanitosti,[10] včetně hodnocení druhů bezobratlých. Aplikace těchto technologií ve vzorcích prostředí neustále roste.[11] Většina nedávných studií je založena na pokroku eDNA implementace přístupů, ověřování v terénu, výběr platformy a čárových kódů nebo omezení databáze.[12]

Aplikace a výzvy

Metody čárového kódování makrozoobentosu (meta) se často používají v:

  • Hodnocení biologické rozmanitosti. Vzhledem k velkému počtu druhů bezobratlých je zpracování vzorků (třídění a identifikace) pracným a často obtížným úkolem, který může vést k chybám během hodnocení.[13]
  • Monitorování životního prostředí programy. Makroobratlovci ve stejném systému mohou být obyvatelé od několika měsíců do několika let, v závislosti na délce života každého organismu. V důsledku toho společenstva bezobratlých obývají vodní ekosystémy dostatečně dlouho, aby odrážely chronické účinky znečišťujících látek, a přesto dostatečně krátké, aby reagovaly na relativně akutní změny kvality vody. Vzhledem k omezené mobilitě bezobratlých a jejich relativní neschopnosti odklonit se od nepříznivých podmínek lze často určit umístění chronických zdrojů znečištění porovnáním společenstev těchto organismů.
  • Detekce mimozemšťan druh. Aplikace technik eDNA a (meta) čárových kódů se ve studiích invazních procesů neustále zvyšuje.[14]
  • Identifikace druhů. Identifikace na úrovni „druhů“ vyžaduje vysokou úroveň taxonomických znalostí. Různá vývojová stádia bezobratlých jsou morfologicky často obtížně identifikovatelná, a to i pro odborníky, zejména z důvodu nedostatku vhodných identifikačních klíčů pro vodní bezobratlé [15]. Například pro některé taxony vodních bezobratlých je taxonomická identifikace možná pouze pro muže a některé pozdní instary, ale spojení čárových kódů s tradiční taxonomií poskytuje silný rámec pro biologickou identifikaci.[16] Druhy často nelze identifikovat, protože jsou morfologicky kryptické, podobné nebo představují méně známé skupiny.[17] Bylo navrženo, že kombinovaná analýza morfologických a molekulárních dat by mohla poskytnout nejlepší řešení toho, čemu se říká „integrativní taxonomie“.[18] Řada studií použila přístupy čárového nebo metabarcodingu u různých skupin, například Odonates, konkrétně vážky (Anisoptera) a motýlice (Zygoptera), s doporučením použít kombinaci markerů.[19]
  • Stresová reakce. Jednotlivé sladkovodní druhy bezobratlých, často sloučené na vyšší taxonomickou úroveň pro účely biomonitoringu, se mohou podstatně lišit v toleranci vůči stresorům a reagovat komplexnějšími způsoby, než jaké byly pozorovány na úrovni rodu.[20] Identifikace založené na čárových kódech DNA mají potenciál zlepšit detekci malých změn v podmínkách toku. Nedávné výsledky ukázaly, že čárové kódy DNA mohou zvýšit taxonomické rozlišení, a tím zvýšit citlivost metrik biologického hodnocení.[21]

Je jich také mnoho výzvy pokud jde o genetické čárové kódy vodních makroobratlovců:

  • Referenční knihovny. Dostupnost referenční knihovny DNA čárových kódů je při identifikaci druhů velmi důležitý.[22]
  • Chybějící druhy v databázích. Informace o existujících druzích obvykle nejsou úplné nebo nesouvisí s ekologickými parametry, jako je hloubka, technika odběru vzorků, slanost atd.
  • Ověření kvality údajů. Záznamy databází často nejsou aktualizovány.
  • Zastaralá taxonomie. Druhy v databázích lze někdy pojmenovat se zastaralou taxonomií (např. Synonyma).
  • Kvantitativní měření druhové rozmanitosti (odhad biomasy a početnosti druhů).
  • Chybí informace o DNA. Druhy v dřívější literatuře jsou identifikovány pouze podle taxonomických znaků, u nichž neexistují žádné vzorky DNA, které by potvrdily.
  • Technické výzvy je třeba vzít v úvahu, jako je potřeba aplikovat různé protokoly při práci s různými organismy, výběr vhodných markerů čárových kódů DNA, design primerů (identifikace konzervovaných oblastí vhodných jako vazebná místa pro primer, hodnocení taxonomického pokrytí a schopnost amplifikovaných regionů k řešení taxonů na rodinné úrovni atd.).
  • Náklady související se sekvenováním.

Viz také

Reference

  1. ^ Hebert, Paul D. N .; Cywinska, Alina; Ball, Shelley L .; deWaard, Jeremy R. (02.02.2003). „Biologická identifikace pomocí čárových kódů DNA“. Sborník královské společnosti v Londýně. Řada B: Biologické vědy. 270 (1512): 313–321. doi:10.1098 / rspb.2002.2218. ISSN  1471-2954. PMC  1691236. PMID  12614582.
  2. ^ Stein, Eric D .; White, Bryan P .; Mazor, Raphael D .; Miller, Peter E .; Pilgrim, Erik M. (2013). „Vyhodnocení konzervace vzorků na bázi ethanolu s cílem usnadnit použití čárového kódu DNA v rutinních programech biomonitoringu sladkovodních biologů pomocí bentických bezobratlých“. PLOS ONE. 8 (1): e51273. doi:10.1371 / journal.pone.0051273. PMC  3537618. PMID  23308097.
  3. ^ Baird, Donald J .; Pascoe, Timothy J .; Zhou, Xin; Hajibabaei, Mehrdad (březen 2011). "Budování sladkovodních makroobezobratlých knihoven DNA čárových kódů z referenčního materiálu pro sběr: konzervace formalinu vs. stáří vzorku". Journal of the North American Benthological Society. 30 (1): 125–130. doi:10.1899/10-013.1. ISSN  0887-3593.
  4. ^ Andújar, Carmelo; Arribas, Paula; Gray, Clare; Bruce, Catherine; Woodward, Guy; Yu, Douglas W .; Vogler, Alfried P. (leden 2018). „Metabarcoding sladkovodních bezobratlých k detekci účinků úniku pesticidů“. Molekulární ekologie. 27 (1): 146–166. doi:10.1111 / mec.14410. hdl:10044/1/58144. PMID  29113023.
  5. ^ Elbrecht, Vasco; Peinert, Bianca; Leese, Florian (září 2017). „Vytřídění věcí: Hodnocení účinků nerovné biomasy vzorků na metabarcoding DNA“. Ekologie a evoluce. 7 (17): 6918–6926. doi:10,1002 / ece3,3192. PMC  5587478. PMID  28904771.
  6. ^ Lejzerowicz, Franck; Esling, Philippe; Pillet, Loïc; Wilding, Thomas A .; Black, Kenneth D .; Pawlowski, Jan (listopad 2015). „Vysoce výkonné sekvenování a morfologie fungují stejně dobře pro bentické monitorování mořských ekosystémů“. Vědecké zprávy. 5 (1): 13932. doi:10.1038 / srep13932. ISSN  2045-2322. PMC  4564730. PMID  26355099.
  7. ^ Elbrecht, Vasco; Vamos, Ecaterina Edith; Meissner, Kristian; Aroviita, Jukka; Leese, Florian (říjen 2017). Yu, Douglas (ed.). „Posouzení silných a slabých stránek identifikace makroobezobratlých na základě metabarcodingu DNA pro rutinní monitorování toku“. Metody v ekologii a evoluci. 8 (10): 1265–1275. doi:10.1111 / 2041-210X.12789.
  8. ^ Carew, Melissa E; Pettigrove, Vincent J; Metzeling, Leon; Hoffmann, Ary A (2013). „Monitorování životního prostředí pomocí sekvenování nové generace: rychlá identifikace druhů bioindikátorů makroobezobratlých“. Hranice v zoologii. 10 (1): 45. doi:10.1186/1742-9994-10-45. ISSN  1742-9994. PMC  3750358. PMID  23919569.
  9. ^ Lejzerowicz, Franck; Esling, Philippe; Pillet, Loïc; Wilding, Thomas A .; Black, Kenneth D .; Pawlowski, Jan (listopad 2015). „Vysoce výkonné sekvenování a morfologie fungují stejně dobře pro bentické monitorování mořských ekosystémů“. Vědecké zprávy. 5 (1): 13932. doi:10.1038 / srep13932. ISSN  2045-2322. PMC  4564730. PMID  26355099.
  10. ^ Deiner, Kristy; Fronhofer, Emanuel A .; Mächler, Elvira; Walser, Jean-Claude; Altermatt, Florian (prosinec 2016). „DNA životního prostředí odhaluje, že řeky jsou dopravními pásy informací o biologické rozmanitosti“. Příroda komunikace. 7 (1): 12544. doi:10.1038 / ncomms12544. ISSN  2041-1723. PMC  5013555. PMID  27572523.
  11. ^ Zaiko, Anastasija; Martinez, Jose L .; Ardura, Alba; Clusa, Laura; Borrell, Yaisel J .; Samuiloviene, Aurelija; Roca, Agustín; García-Vazquez, Eva (prosinec 2015). „Detekce škodlivých druhů pomocí NGST: Metodické nedostatky a možné použití při monitorování balastní vody“ (PDF). Výzkum mořského prostředí. 112 (Pt B): 64–72. doi:10.1016 / j.marenvres.2015.07.002. PMID  26174116.
  12. ^ Fernández, Sara; Rodríguez, Saúl; Martínez, Jose L .; Borrell, Yaisel J .; Ardura, Alba; García-Vázquez, Eva (8. 8. 2018). Melcher, Ulrich (ed.). „Hodnocení sladkovodních makroobratlovců z metabarcodingu eDNA: případová studie řeky Nalón“. PLOS ONE. 13 (8): e0201741. doi:10.1371 / journal.pone.0201741. ISSN  1932-6203. PMC  6082553. PMID  30089147.
  13. ^ Haase, Peter; Pauls, Steffen U .; Schindehütte, Karin; Sundermann, Andrea (prosinec 2010). „První audit vzorků makroobezobratlých z monitorovacího programu rámcové směrnice o vodě: lidská chyba výrazně snižuje přesnost výsledků hodnocení“. Journal of the North American Benthological Society. 29 (4): 1279–1291. doi:10.1899/09-183.1. ISSN  0887-3593.
  14. ^ „REABIC - Journals - BioInvasions Records - Issue 1 (2018)“. www.reabic.net. doi:10.3391 / bir.2018.7.1.08. Citováno 2019-04-19.
  15. ^ Venter, Hermoine J .; Oddělení pro environmentální vědy a management, North-West University, Potchefstroom, Jižní Afrika; Bezuidenhout, Cornelius C .; Oddělení pro environmentální vědy a management, North-West University, Potchefstroom, Jižní Afrika (2016-05-26). „DNA identifikace vodních bezobratlých užitečných v jihoafrickém kontextu?“. Jihoafrický žurnál vědy. 112 (5/6). doi:10.17159 / sajs.2016 / 20150444. ISSN  0038-2353.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  16. ^ DeWalt, R. Edward (01.03.2011). "Čárové kódy DNA: taxonomické hledisko". Journal of the North American Benthological Society. 30 (1): 174–181. doi:10.1899/10-021.1. ISSN  0887-3593.
  17. ^ Carew, Melissa E; Pettigrove, Vincent J; Metzeling, Leon; Hoffmann, Ary A (2013). „Monitorování životního prostředí pomocí sekvenování nové generace: rychlá identifikace druhů bioindikátorů makroobezobratlých“. Hranice v zoologii. 10 (1): 45. doi:10.1186/1742-9994-10-45. ISSN  1742-9994. PMC  3750358. PMID  23919569.
  18. ^ Teletchea, Fabrice (01.12.2010). „Po 7 letech a 1 000 citacích: Srovnávací hodnocení návrhů čárových kódů DNA a návrhů taxonomie DNA pro taxonomy a non-taxonomy“. Mitochondriální DNA. 21 (6): 206–226. doi:10.3109/19401736.2010.532212. ISSN  1940-1736. PMID  21171865.
  19. ^ Rach, Jessica; Bergmann, Tjard; Paknia, Omid; DeSalle, Rob; Schierwater, Bernd; Hadrys, Heike (2017-04-13). Yue, Bi-Song (ed.). „Volba značky: Neočekávaná rozlišovací schopnost neprozkoumané oblasti CO1 pro přístupy čárového kódování vrstvené DNA“. PLOS ONE. 12 (4): e0174842. doi:10.1371 / journal.pone.0174842. ISSN  1932-6203. PMC  5390999. PMID  28406914.
  20. ^ Macher, Jan N .; Salis, Romana K .; Blakemore, Katie S .; Tollrian, Ralph; Matthaei, Christoph D .; Leese, Florian (únor 2016). „Multiple-stressor effects on stream invertebrates: DNA barcoding odhaluje kontrastní reakce kryptických druhů jepic“. Ekologické ukazatele. 61: 159–169. doi:10.1016 / j.ecolind.2015.08.024.
  21. ^ Stein, Eric D .; White, Bryan P .; Mazor, Raphael D .; Jackson, John K .; Battle, Juliann M .; Miller, Peter E .; Pilgrim, Erik M .; Sweeney, Bernard W. (2014-03-01). „Zlepšuje čárový kód DNA výkon tradičních metrik biologického hodnocení proudu?“. Sladkovodní věda. 33 (1): 302–311. doi:10.1086/674782. ISSN  2161-9549.
  22. ^ Webb, Jeffrey M .; Jacobus, Luke M .; Funk, David H .; Zhou, Xin; Kondratieff, Boris; Geraci, Christy J .; DeWalt, R. Edward; Baird, Donald J .; Richard, Barton (2012-05-30). Fenton, Brock (ed.). „Knihovna čárových kódů DNA pro severoamerické Ephemeroptera: pokrok a vyhlídky“. PLOS ONE. 7 (5): e38063. doi:10.1371 / journal.pone.0038063. ISSN  1932-6203. PMC  3364165. PMID  22666447.