DNA prostředí - Environmental DNA - Wikipedia

V tomto příkladu ryba opouští svoji eDNA za sebou, když se pohybuje ve vodě, ale její eDNA se časem pomalu rozplývá.

DNA prostředí nebo eDNA je DNA který se shromažďuje z různých vzorků životního prostředí, jako je půda, mořská voda, sníh nebo dokonce vzduch [1] spíše než přímo odebrat vzorky z jednotlivého organismu. Jak různé organismy interagují s prostředím, DNA je vyloučena a hromadí se v jejich okolí. Mezi příklady zdrojů eDNA patří mimo jiné: výkaly, sliz, gamety, zbavit se kůže, jatečně upravená těla a vlasy.[2] Takové vzorky lze analyzovat vysokou propustností Sekvenování DNA metody známé jako metagenomika, metabarcoding a detekce jednotlivých druhů,[3] pro rychlé měření a monitorování biologická rozmanitost. Aby bylo možné lépe rozlišovat mezi organismy ve vzorku, DNA metabarcoding se používá při kterém je vzorek analyzován a používá dříve studované knihovny DNA k určení, jaké organismy jsou přítomny (např. VÝBUCH ).[4] Analýza eDNA má velký potenciál nejen pro monitorování běžných druhů, ale také pro genetickou detekci a identifikaci dalších existujících druhů, které by mohly ovlivnit úsilí o zachování.[5] Tato metoda umožňuje biomonitoring bez nutnosti shromažďování živého organismu a vytváří schopnost studovat organismy, které jsou invazivní, nepolapitelné nebo ohrožené, aniž by na organismus působily antropogenní stresy. Přístup k této genetické informaci zásadním způsobem přispívá k porozumění velikosti populace, druhová distribuce, a populační dynamika u druhů není dobře zdokumentováno. Integrita vzorků eDNA závisí na jeho uchování v prostředí. Půda, permafrost, sladkovodní a mořská voda jsou dobře prostudovaná makroprostředí, ze kterých byly odebrány vzorky eDNA, z nichž každé obsahuje mnohem více upravených dílčí prostředí.[6] Díky své univerzálnosti se eDNA používá v mnoha dílčí prostředí jako je vzorkování sladké vody, vzorkování mořské vody, vzorkování suchozemské půdy (tundra permafrost), vzorkování vodní půdy (řeka, jezero, rybník a oceánský sediment),[7] nebo v jiných prostředích, kde mohou být běžné postupy vzorkování problematické.[6]

Sbírka

Pozemské sedimenty

Důležitost analýzy eDNA vycházela z uznání omezení, která předložil kultura -založené studie.[5] Organismy se přizpůsobily tak, aby se jim dařilo ve specifických podmínkách jejich přirozeného prostředí. Ačkoli vědci pracují na napodobování těchto prostředí, mnoho mikrobiálních organismů nelze odstranit a kultivovat v laboratorním prostředí.[6] Nejstarší verze této analýzy začala ribozomální RNA (rRNA ) v mikrobech, aby lépe porozuměli mikrobům, kteří žijí v nepřátelském prostředí.[8] Genetická výbava některých mikrobů je poté přístupná pouze prostřednictvím analýzy eDNA. Nejprve byly použity analytické techniky eDNA suchozemské sedimenty čímž se získá DNA z vyhynulých i existujících savců, ptáků, hmyzu a rostlin.[9] Vzorky získané z těchto suchozemských sedimentů se běžně označují jako „sedimentární starověká DNA“ (sedaDNA nebo špínaDNA).[10] Analýzu eDNA lze také použít ke studiu současných lesních společenstev včetně všeho od ptáků a savců až po houby a červy.[6]

Vodní sedimenty

SedaDNA byla následně použita ke studiu rozmanitosti starověkých zvířat a ověřena pomocí známých fosilních záznamů ve vodních sedimentech.[6] Vodní sedimenty jsou zbaveny kyslíku a chrání DNA před degradací.[6] Kromě starověkých studií lze tento přístup použít k pochopení současné rozmanitosti zvířat s relativně vysokou citlivostí. Zatímco typické vzorky vody mohou mít DNA relativně rychle degradovatelné, vzorky vodního sedimentu mohou mít užitečnou DNA dva měsíce poté, co byl tento druh přítomen.[11] Jedním problémem vodních sedimentů je, že není známo, kde organismus uložil eDNA, protože se mohl pohybovat ve vodním sloupci.

Vodní (vodní sloupec)

Studium eDNA ve vodním sloupci může naznačovat složení společenstva vodního útvaru. Před eDNA bylo hlavním způsobem, jak studovat rozmanitost otevřené vody, využití rybolovu a odchytu, což vyžaduje zdroje, jako jsou financování a kvalifikovaná pracovní síla, zatímco eDNA potřebuje pouze vzorky vody.[7] Tato metoda je účinná jako pH vody neovlivňuje DNA natolik, jak se dříve myslelo, a citlivost lze zvýšit relativně snadno.[7][12] Citlivost je pravděpodobnost přítomnosti markeru DNA ve vzorkované vodě a lze ji zvýšit jednoduše odebráním více vzorků, většími vzorky a zvýšením PCR.[12] eDNA se ve vodním sloupci rozkládá relativně rychle, což je velmi výhodné při krátkodobých ochranářských studiích, jako je identifikace přítomných druhů.[6]

Vědci z Experimentální oblast jezer v Ontario, Kanada a McGill University zjistili, že distribuce eDNA odráží stratifikace jezera.[13] Jak se mění roční období a teplota vody, hustota vody také se mění tak, že tvoří odlišné vrstvy v malém boreální jezera v létě i v zimě. Tyto vrstvy směs během jara a podzimu.[14] Rybí stanoviště použijte koreláty se stratifikací (např. ryby se studenou vodou jako Jezerní pstruh zůstanou ve studené vodě) a stejně tak i distribuce eDNA, jak zjistili tito vědci.[13]

Sněhové stopy

Vědci z oblasti divoké zvěře v zasněžených oblastech také používají vzorky sněhu ke shromažďování a získávání genetických informací o zájmových druzích. DNA ze vzorků sněhové stopy byla použita k potvrzení přítomnosti nepolapitelných a vzácných druhů, jako jsou lední medvědi, polární liška, rys, rosomáci a rybáři.[15][16][17]

aplikace

eDNA lze použít k monitorování druhů po celý rok a může být velmi užitečná při monitorování ochrany.[18][19] Analýza eDNA byla úspěšná při identifikaci mnoha různých taxonů z vodních rostlin,[20] Ryby,[19] mušle,[18] houby [21][22] a dokonce i parazity.[23][8] eDNA byla použita ke studiu druhů při minimalizaci interakce člověka se stresem, což vědcům umožňuje efektivněji sledovat přítomnost druhů ve větších prostorových měřítcích.[24][25] Nejčastějším využitím současného výzkumu je použití eDNA ke studiu umístění ohrožených druhů, invazivních druhů a klíčových druhů ve všech prostředích.[24] eDNA je obzvláště užitečná pro studium druhů s malými populacemi, protože eDNA je dostatečně citlivá na to, aby potvrdila přítomnost druhu s relativně malým úsilím sbírat údaje, které lze často provést se vzorkem půdy nebo vody.[5][24] eDNA se spoléhá na účinnost genomového sekvenování a analýzy a také na použité metody průzkumu, které jsou stále efektivnější a levnější.[26] Některé studie ukázaly, že eDNA vzorkovaná z proudu a pobřežního prostředí se rozpadla na nedetekovatelnou úroveň přibližně za 48 hodin.[27][28]

Environmentální DNA lze použít jako nástroj k detekci organismů s nízkým výskytem v aktivní i pasivní formě. Aktivní průzkumy eDNA se zaměřují na detekci jednotlivých druhů nebo skupin taxonů pomocí vysoce citlivého kvantitativního v reálném čase specifického pro daný druh PCR [29] nebo digitální kapičková PCR markery.[30] Metodika CRISPR-Cas byla také použita k detekci jednotlivých druhů z eDNA;[31] s využitím enzymu Cas12a a umožnění větší specificity při detekci sympatrických taxonů. Pasivní průzkumy eDNA používají masivně paralelní sekvenování DNA k amplifikaci všech molekul eDNA ve vzorku bez č a priori cíl mít na paměti poskytnutí plošného důkazu DNA o složení biotického společenství.[32]

Viz také

Reference

  1. ^ Ficetola, Gentile Francesco; Miaud, Claude; Pompanon, François; Taberlet, Pierre (2008). „Detekce druhů pomocí DNA prostředí ze vzorků vody“. Biologické dopisy. 4 (4): 423–425. doi:10.1098 / rsbl.2008.0118. ISSN  1744-9561. PMC  2610135. PMID  18400683.
  2. ^ „Co je to eDNA?“. Trust pro sladkovodní stanoviště.
  3. ^ Thomsen, Philip Francis; Willerslev, Eske (2015). DNA v životním prostředí - objevující se nástroj v ochraně pro monitorování minulé i současné biologické rozmanitosti. ISBN  9781118169483. OCLC  937913966.
  4. ^ Fahner, Nicole (2016). „Rozsáhlé monitorování rostlin pomocí metabarcodingu půdy v prostředí: Obnova, rozlišení a anotace čtyř markerů DNA“. PLOS ONE. 11 (6): 1–16. doi:10.1371 / journal.pone.0157505. ISSN  1932-6203. PMC  4911152. PMID  27310720 - prostřednictvím adresáře časopisů s otevřeným přístupem.
  5. ^ A b C Bohmann, Kristine; Evans, Alice; Gilbert, M. Thomas P .; Carvalho, Gary R .; Creer, Simon; Knapp, Michael; Yu, Douglas W .; de Bruyn, Mark (01.06.2014). „Environmentální DNA pro biologii divoké zvěře a monitorování biologické rozmanitosti“. Trendy v ekologii a evoluci. 29 (6): 358–367. doi:10.1016 / j.tree.2014.04.003. ISSN  1872-8383. PMID  24821515.
  6. ^ A b C d E F G Thomsen, Philip Francis; Willerslev, Eske (01.03.2015). „Environmentální DNA - objevující se nástroj ochrany pro monitorování minulé a současné biologické rozmanitosti“. Biologická ochrana. Zvláštní vydání: Environmentální DNA: Nový mocný nástroj pro biologickou ochranu. 183: 4–18. doi:10.1016 / j.biocon.2014.11.019.
  7. ^ A b C Tsuji, Satsuki (2016). „Účinky úpravy pH vody a proteinázy K na výtěžek DNA prostředí ze vzorků vody“. Limnologie. 18: 1–7. doi:10.1007 / s10201-016-0483-x. ISSN  1439-8621. S2CID  44793881.
  8. ^ A b Bass, David (2015). „Rozmanité aplikace environmentálních metod DNA v parazitologii“. Trendy v parazitologii. 31 (10): 499–513. doi:10.1016 / j.pt.2015.06.013. PMID  26433253.
  9. ^ Willerslev, Eske; Hansen, Anders J .; Binladen, Jonas; Brand, Tina B .; Gilbert, M. Thomas fP .; Shapiro, Beth; Bunce, Michael; Wiuf, Carsten; Gilichinsky, David A. (02.05.2003). „Různorodé rostlinné a živočišné genetické záznamy z holocenových a pleistocénních sedimentů“. Věda. 300 (5620): 791–795. Bibcode:2003Sci ... 300..791W. doi:10.1126 / science.1084114. ISSN  0036-8075. PMID  12702808. S2CID  1222227.
  10. ^ Andersen, Kenneth; Bird, Karen Lise; Rasmussen, Morten; Haile, James; Breuning-Madsen, Henrik; Kjaer, Kurt H .; Orlando, Ludovic; Gilbert, M. Thomas P .; Willerslev, Eske (01.04.2012). „Meta-čárový kód„ nečistoty “DNA z půdy odráží biologickou rozmanitost obratlovců“. Molekulární ekologie. 21 (8): 1966–1979. doi:10.1111 / j.1365-294X.2011.05261.x. ISSN  1365-294X. PMID  21917035. S2CID  43351435.
  11. ^ Turner, Cameron R. (2014). „Environmentální DNA ryb je koncentrovanější ve vodních sedimentech než povrchová voda“. Biologická ochrana. 183: 93–102. doi:10.1016 / j.biocon.2014.11.017. ISSN  0006-3207.
  12. ^ A b Schultz, Martin (2015). „Modelování citlivosti polních průzkumů pro detekci environmentální DNA (eDNA)“. PLOS ONE. 10 (10): 1–16. doi:10.1371 / journal.pone.0141503. ISSN  1932-6203. PMC  4624909. PMID  26509674.
  13. ^ A b Littlefair, Joanne E .; Hrenchuk, Lee E .; Blanchfield, Paul J .; Rennie, Michael D .; Cristescu, Melania E. (2020-04-26). „Tepelná stratifikace a tepelné preference ryb vysvětlují vertikální distribuce eDNA v jezerech“. bioRxiv: 2020.04.21.042820. doi:10.1101/2020.04.21.042820. PMID  32888228. S2CID  218466213.
  14. ^ „Jak a proč se jezera stratifikují a obracejí: vysvětlujeme vědu“. Oblast experimentálních jezer IISD. 2018-05-16. Citováno 2020-07-14.
  15. ^ „Arnaud Lyet z WWF o měření populací divoké zvěře“. Světový fond na ochranu přírody. Citováno 2018-11-26.
  16. ^ „eDNA - již nejen pro biologické rybáře“. wildlife.org. 2017-12-08. Citováno 2018-11-26.
  17. ^ Roth, Annie (2018-11-19). „Jak DNA ze sněhu pomáhá vědcům sledovat nepolapitelná zvířata“. národní geografie. Citováno 2018-11-26.
  18. ^ A b Stoeckle, Bernhard (2016). „Environmentální DNA jako monitorovací nástroj pro ohroženou sladkovodní perlu (Margaritifera margaritifera L.): náhrada za klasické monitorovací přístupy?“. Ochrana vod: Mořské a sladkovodní ekosystémy. 26 (6): 1120–1129. doi:10,1002 / aqc.2611.
  19. ^ A b Souza, Lesley (2016). „Pravděpodobnost detekce environmentální DNA (eDNA) je ovlivněna sezónní aktivitou organismů“. PLOS ONE. 11 (10): 1–15. Bibcode:2016PLoSO..1165273D. doi:10.1371 / journal.pone.0165273. ISSN  1932-6203. PMC  5077074. PMID  27776150.
  20. ^ Saeko, Matsuhashi (2016). „Hodnocení environmentální metody DNA pro odhad distribuce a biomasy ponořených vodních rostlin“. PLOS ONE. 11 (6): 1–14. Bibcode:2016PLoSO..1156217M. doi:10.1371 / journal.pone.0156217. ISSN  1932-6203. PMC  4909283. PMID  27304876.
  21. ^ Tedersoo, Leho; Bahram, Mohammad; Põlme, Sergei; Kõljalg, Urmas; Yorou, Nourou S .; Wijesundera, Ravi; Ruiz, Luis Villarreal; Vasco-Palacios, Aída M .; Čt, Pham Quang (2014-11-28). „Globální rozmanitost a geografie půdních hub“ (PDF). Věda. 346 (6213): 1256688. doi:10.1126 / science.1256688. hdl:10447/102930. ISSN  0036-8075. PMID  25430773. S2CID  206559506.
  22. ^ Detheridge, Andrew Paul; Comont, David; Callaghan, Tony Martin; Bussell, Jennifer; Brand, Graham; Gwynn-Jones, Dylan; Scullion, John; Griffith, Gareth Wyn (červen 2018). „Vegetace a edafické faktory ovlivňují rychlé zakládání odlišných houbových společenstev na bývalých nalezištích uhlí“. Plísňová ekologie. 33: 92–103. doi:10.1016 / j.funeco.2018.02.002. ISSN  1754-5048.
  23. ^ Jones, Rhys Aled; Brophy, Peter M .; Davis, Chelsea N .; Davies, Teri E .; Emberson, Holly; Rees Stevens, Pauline; Williams, Hefin Wyn (08.06.2018). „Detekce Galba truncatula, Fasciola hepatica a Calicophoron daubneyi environmentální DNA ve vodních zdrojích na pastvinách, budoucí nástroj pro kontrolu motolice?“. Paraziti a vektory. 11 (1): 342. doi:10.1186 / s13071-018-2928-z. ISSN  1756-3305. PMC  5994096. PMID  29884202.
  24. ^ A b C Bergman, Paul S .; Schumer, Gregg; Blankenship, Scott; Campbell, Elizabeth (2016). „Detekce dospělého jesetera zeleného pomocí analýzy DNA v prostředí“. PLOS ONE. 11 (4): 1–8. Bibcode:2016PLoSO..1153500B. doi:10.1371 / journal.pone.0153500. ISSN  1932-6203. PMC  4838217. PMID  27096433.
  25. ^ „Průvodce environmentální DNA (eDNA) od společnosti Biomeme“. Biomém.
  26. ^ Wang, Xinkun (2016). Analýza sekvenčních dat nové generace. Boca Raton: CRC Press. ISBN  9781482217889. OCLC  940961529.
  27. ^ Seymour, Mathew; Durance, Isabelle; Cosby, Bernard J .; Ransom-Jones, Emma; Deiner, Kristy; Ormerod, Steve J .; Colbourne, John K .; Wilgar, Gregory; Carvalho, Gary R. (2018-01-22). „Kyselost podporuje degradaci vícedruhové environmentální DNA v loticálních mezokosmech“. Komunikační biologie. 1 (1): 4. doi:10.1038 / s42003-017-0005-3. ISSN  2399-3642. PMC  6123786. PMID  30271891.
  28. ^ Collins, Rupert A .; Wangensteen, Owen S .; O’Gorman, Eoin J .; Mariani, Stefano; Sims, David W .; Genner, Martin J. (05.11.2018). „Persistence environmentální DNA v mořských systémech“. Komunikační biologie. 1 (1): 185. doi:10.1038 / s42003-018-0192-6. ISSN  2399-3642. PMC  6218555. PMID  30417122.
  29. ^ „Platforma TripleLock ™ - Precision Biomonitoriong“. Služby DNA v oblasti životního prostředí. Citováno 2019-02-12.
  30. ^ Hunter, Margaret E .; Dorazio, Robert M .; Butterfield, John S. S .; Meigs-Friend, Gaia; Nico, Leo G .; Ferrante, Jason A. (2016-11-20). „Detekční limity kvantitativních a digitálních PCR testů a jejich vliv v průzkumech přítomnosti a nepřítomnosti DNA prostředí“. Zdroje molekulární ekologie. 17 (2): 221–229. doi:10.1111/1755-0998.12619. ISSN  1755-098X. PMID  27768244.
  31. ^ Williams, Molly-Ann; O'Grady, Joyce; Ball, Bernard; Carlsson, Jens; Eyto, Elvira de; McGinnity, Philip; Jennings, Eleanor; Regan, Fiona; Parle ‐ McDermott, Anne (2019). „Aplikace CRISPR-Cas pro identifikaci jednotlivých druhů z DNA prostředí“. Zdroje molekulární ekologie. 19 (5): 1106–1114. doi:10.1111/1755-0998.13045. ISSN  1755-0998. PMID  31177615.
  32. ^ Příležitosti ve vědách o oceánu. Washington, DC: National Academies Press. 1998-01-01. doi:10.17226/9500. ISBN  9780309582926.

externí odkazy