מדענים יכולים לדעת איזה דגים חיים איפה הם מבוססים על DNA במים

חיי האוקיאנוס נסתרים ברובם מהעין. מעקב אחר מה שחי איפה יקר - בדרך כלל דרוש סירות גדולות, רשתות גדולות, כוח אדם מיומן והרבה זמן. טכנולוגיה מתפתחת המשתמשת במה שמכונה DNA סביבתי עוקפת כמה מהמגבלות הללו ומספקת דרך מהירה ובמחיר סביר להבין מה קיים מתחת לפני המים.

תוכן קשור

• כיצד מדענים משתמשים בפיסות זעירות של DNA שנותר כדי לפתור תעלומות חיות בר

דגים ובעלי חיים אחרים השילו DNA למים, בצורה של תאים, הפרשות או הפרשות. לפני כעשר שנים, החוקרים באירופה הדגימו לראשונה כי כמויות קטנות של מי בריכה מכילים מספיק DNA צף חופשי כדי לאתר חיות תושבות.

החוקרים חיפשו אחר כך eDNA מימי במערכות מים מתוקים מרובים, ולאחרונה בסביבות ימיות גדולות ומורכבות בהרבה. אמנם העיקרון של eDNA מימי מבוסס היטב, אך אנו רק מתחילים לחקור את הפוטנציאל שלו לגילוי דגים ושפע שלהם בפרט ימי. הטכנולוגיה מבטיחה יישומים מעשיים ומדעיים רבים, החל מסיוע בקביעת מכסות דגים בר קיימא והערכת ההגנות על מינים בסכנת הכחדה וכלה בהערכת ההשפעות של חוות רוח ימיות.

מי נמצא בהדסון, מתי?

במחקר החדש שערכנו, חברי וחברי בדקנו עד כמה eDNA מימי יכולים לאתר דגים בשפך נהר הדסון סביב העיר ניו יורק. למרות היותו שפך האורבני ביותר בצפון אמריקה, איכות המים השתפרה באופן דרמטי בעשורים האחרונים, והשפך שחזר בחלקו את תפקידו כבית גידול חיוני למינים רבים של דגים. בריאותם המשופרת של המים המקומיים מודגשת על ידי הופעתם הסדירה של סתיו של לווייתנים הגבניים הניזונים בבתי ספר גדולים במאנאדן האטלנטי בגבולות נמל ניו יורק, באתר בניין האמפייר סטייט.

מתכונן לזרוק את דלי האיסוף לנהר. (מארק סטוקלה, CC BY-ND)

המחקר שלנו הוא התיעוד הראשון של נדידת האביב של דגי האוקיאנוס על ידי עריכת בדיקות DNA על דגימות מים. אספנו דגימות מים של ליטר אחד (בערך ליטר) מדי שבוע בשני אתרי עיר בינואר עד יולי 2016. מכיוון שקו החוף של מנהטן משוריין ומוגבה, השלכנו דלי על חבל למים. דגימות בשעות החורף היו מעטות או ללא eDNA של דגים. החל מאפריל נרשמה עלייה מתמדת בדגים שהתגלו, עם כ-10 עד 15 מינים לדגימה בתחילת הקיץ. ממצאי ה- eDNA תואמים במידה רבה את הידע הקיים שלנו על תנועות דגים, שנצברו קשה מעשרות עשרות סקרי תפיסה מסורתיים.

התוצאות שלנו מדגימות את איכות ה"גלילות זהב "של eDNA מימי - נראה כי זה אורך בדיוק את הזמן הנכון כדי להועיל. אם זה ייעלם מהר מדי, לא נוכל לזהות אותו. אם זה נמשך יותר מדי זמן, לא היינו מגלים הבדלים עונתיים ונמצא ככל הנראה DNA-DNA של מינים רבים של מים מתוקים ואוקיינוסים פתוחים כמו גם של דגי שפך מקומיים. מחקרים מצביעים על דעיכה של ה- DNA לאורך שעות עד ימים, תלוי בטמפרטורה, בזרמים וכן הלאה.

בסך הכל, השגנו eDNA התואמים 42 מיני דגים ימיים מקומיים, כולל רוב (80 אחוז) מהזן השכיח או השכיח המקומי. בנוסף, מינים שגילינו, מינים נפוצים או נפוצים נצפו בתדירות גבוהה יותר מאלה שאינם שכיחים מקומיים. כי המין ה- eDNA שהתגלה התאים לתצפיות מסורתיות של דגים נפוצים מקומיים מבחינת השפע הן חדשות טובות לשיטה - הוא תומך ב- eDNA כאינדקס של מספרים של דגים. אנו מצפים שבסופו של דבר נוכל לאתר את כל המינים המקומיים - על ידי איסוף נפחים גדולים יותר, באתרים נוספים בשפך ובעומקים שונים.

דגים שזוהו באמצעות eDNA במדגם של יום אחד מהנהר המזרחי של ניו יורק. (מחלקת השימור הסביבתית של מדינת ניו יורק: אשת אשת (מיני הרינג), בס מפוספס, צלופח אמריקאי, מומיצ'וג; מחלקת הדגים והמשחק של מסצ'וסטס: בס ים שחור, כחלחל, סילברסייד אטלנטי; התאחדות הצלילה של ניו ג'רזי: אויסטה)

בנוסף למינים ימיים מקומיים, מצאנו מינים נדירים או נעדרים באופן מקומי בכמה דגימות. רובם היו דגים שאנו אוכלים - טילפיה של הנילוס, סלמון אטלנטי, בס ים אירופאי ("ברנזינו"). אנו משערים כי אלה הגיעו מהשפכים - למרות שההדסון נקי יותר, זיהום הביוב נמשך. אם ככה ה- DNA נכנס לשפך במקרה זה, יתכן שניתן יהיה לקבוע אם קהילה צורכת מינים מוגנים על ידי בדיקת מי השפכים שלה. שאר האקזוטים שמצאנו היו מיני מים מתוקים, למרבה ההפתעה מעטים בהתחשב בזרימת המים המתוקים הגדולים והיומיומיים לשפך מי המלח ממפרץ הדסון.

סינון מי השפך בחזרה במעבדה. (מארק סטוקלה, CC BY-ND)

ניתוח ה- DNA העירום

הפרוטוקול שלנו משתמש בשיטות וציוד סטנדרטיים במעבדה לביולוגיה מולקולרית, ועוקב אחר אותם נהלים המשמשים לניתוח מיקרוביומות אנושיות, למשל.

לאחר האיסוף, אנו מריצים דגימות מים דרך מסנן נקבוביות קטן (0.45 מיקרון) אשר לוכד חומר תלוי, כולל תאים ושברי תאים. אנו מחלצים DNA מהפילטר, ומגבירים אותו באמצעות תגובת שרשרת פולימראז (PCR). PCR הוא כמו "xeroxing" רצף DNA מסוים, מייצר מספיק עותקים כך שניתן יהיה לנתח אותו בקלות.

כיוונו את ה- DNA המיטוכונדריאלי - החומר הגנטי בתוך המיטוכונדריה, האורגנל המייצר את האנרגיה של התא. ה- DNA המיטוכונדריאלי נמצא בריכוזים גבוהים בהרבה מאשר ה- DNA הגרעיני, וכך קל יותר לגלות. יש לו גם אזורים זהים בכל חוליות החוליות, מה שמקל עלינו להגביר מספר מינים.

eDNA ופסולת אחרת שנשארו על המסנן לאחר שעברו מי שפך. (מארק סטוקלה, CC BY-ND)

תייגנו כל דגימה מוגברת, שילבנו את הדגימות ושלחנו אותן לרצף של הדור הבא. מדען אוניברסיטת רוקפלר וסופר משותף, זכרי שרלופ-פאוורס, יצר את הצינור הביואינפורמטי המעריך את איכות הרצף ומייצר רשימה של הרצפים הייחודיים ו"קריאת המספרים "בכל מדגם. זה כמה פעמים זיהינו כל רצף ייחודי.

כדי לזהות מינים, כל רצף ייחודי מושווה לאלה שנמצאים בבסיס הנתונים הציבורי GenBank. התוצאות שלנו עולות בקנה אחד עם מספר הקריאה באופן יחסי למספרי הדגים, אך דרושה עבודה רבה יותר על הקשר המדויק של eDNA ושפע דגים. לדוגמה, דגים מסוימים עשויים לשפוך DNA רב יותר מאחרים. ההשפעות של תמותת דגים, טמפרטורת המים, ביצים ודגי הזחל לעומת צורות מבוגרים יכולות להיות גם במשחק.

ממש כמו בתוכניות פשע בטלוויזיה, זיהוי ה- eDNA מסתמך על בסיס נתונים מקיף ומדויק. במחקר טייס, זיהינו מינים מקומיים שהיו חסרים ממסד הנתונים של GenBank, או שהיו להם רצפים לא שלמים או לא תואמים. כדי לשפר את ההזדהות, רצצנו 31 דגימות המייצגות 18 מינים מאוספים מדעיים באוניברסיטת מונמות ', ומחנויות פיתיון ושווקי דגים. עבודה זו נעשתה ברובה על ידי חוקר הסטודנטים והסופר המשותף ליובוב סובולבה, בכיר בבית הספר התיכון ג'ון בון בניו יורק. הפקדנו את הרצפים החדשים הללו ב- GenBank והגדילו את הכיסוי של בסיס הנתונים לכ 80 אחוז מהמינים המקומיים שלנו.

חקר אתרי האיסוף במנהטן. (מארק סטוקלה, CC BY-ND)

התמקדנו בדגים ובחולי חוליות אחרים. קבוצות מחקר אחרות השתמשו בגישה eDNA מימית על חסרי חוליות. באופן עקרוני הטכניקה יכולה להעריך את המגוון של כל חיי בעלי החיים, הצומח והמיקרוביאלי בבית גידול מסוים. בנוסף לגילוי בעלי חיים מימיים, eDNA משקף חיות יבשתיות באפיקי המים הסמוכים. במחקר שערכנו, חיית הבר הנפוצה ביותר שהתגלתה במי העיר ניו יורק הייתה העכברוש החום, שוכן עירוני משותף.

מחקרים עתידיים עשויים להשתמש בכלי רכב אוטונומיים לדגימה שגרתית של אתרים מרוחקים ועמוקים, ועוזרים לנו להבין טוב יותר ולנהל את המגוון של חיי האוקיאנוס.

מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.

מארק סטוקל, חבר מחקר בכיר בתוכנית לסביבה אנושית, אוניברסיטת רוקפלר