Экологическая ДНК

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

Экологическая ДНК или эДНК - это ДНК, собранная из различных образцов окружающей среды, таких как почва, морская вода, снег или даже воздух, а не пробы, взятые непосредственно у 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, сброшенную кожу, туши и волосы. Такие образцы могут быть проанализированы с помощью высокопроизводительных методов секвенирования ДНК, известных как метагеномика, метабаркодирование и одновидовое обнаружение, для быстрого измерения и мониторинга биоразнообразие. Чтобы лучше различать организмы в образце, используется ДНК метабаркодирование, в котором образец анализируется и использует ранее изученные библиотеки ДНК для определения присутствующих организмов (например, BLAST ). 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. 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, распределения видов и динамики популяции видов, которые недостаточно документированы. Целостность образцов эДНК зависит от их сохранности в окружающей среде. Почва, вечная мерзлота, пресная и морская вода - это хорошо изученные макросреды, из которых были извлечены образцы eDNA, каждая из которых включает множество более кондиционированных подобластей. Благодаря своей универсальности, eDNA применяется во многих субсредах, таких как отбор проб пресной воды, отбор проб морской воды, отбор проб наземной почвы (тундра, вечная мерзлота), отбор проб водной почвы (реки, озера, пруды и океанические отложения) или других среды, в которых обычные процедуры отбора проб могут стать проблематичными.

• 1 Сбор
  • 1.1 Наземные отложения
  • 1.2 Водные отложения
  • 1.3 Водные (водная толща)
  • 1.4 Снежные следы
• 2 Применение
• 3 См. Также
• 4 Ссылки
• 5 Внешние ссылки

Наземные отложения

Важность анализа eDNA проистекает из признания ограничений, представленных исследования на основе культуры. Организмы приспособились к процветанию в определенных условиях своей естественной среды обитания. Хотя ученые работают над имитацией этих сред, многие микробные организмы невозможно удалить и культивировать в лабораторных условиях. Самая ранняя версия этого анализа началась с рибосомной РНК (рРНК ) в микробах, чтобы лучше понять микробы, которые живут во враждебной среде. В таком случае генетический состав некоторых микробов доступен только с помощью анализа электронной ДНК. Аналитические методы eDNA были впервые применены к наземным отложениям, дающим ДНК как вымерших, так и современных млекопитающих, птиц, насекомых и растений. Образцы, извлеченные из этих наземных отложений, обычно называют «осадочной древней ДНК» (sedaDNA или dirtyDNA). Анализ eDNA также может быть использован для изучения существующих лесных сообществ, включая все, от птиц и млекопитающих до грибов и червей.

Водные отложения

СедаДНК впоследствии использовалась для изучения разнообразия древних животных и проверена с использованием известные летописи окаменелостей в водных отложениях. Водные отложения лишены кислорода и, таким образом, защищают ДНК от разложения. 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. Одна из проблем с водными отложениями заключается в том, что неизвестно, где организм отложил эДНК, поскольку она могла перемещаться в толще воды.

Водный (водный столб)

Изучение eDNA в водной толще может указать на состав сообщества водоема. До появления электронной ДНК основными способами изучения разнообразия открытой воды было использование рыболовства и отлова ловушек, что требовало таких ресурсов, как финансирование и квалифицированная рабочая сила, тогда как для электронной ДНК нужны только образцы воды. Этот метод эффективен, поскольку pH воды не влияет на ДНК так сильно, как считалось ранее, и чувствительность можно относительно легко повысить. 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. eDNA относительно быстро разлагается в толще воды, что очень полезно для краткосрочных исследований по сохранению, таких как определение присутствующих видов.

Исследователи из Экспериментальной зоны озер в Онтарио, Канада и Университет Макгилла обнаружили, что распределение эДНК отражает стратификацию озер. При изменении времен года и температуры воды плотность воды также изменяется, так что летом и зимой она образует отдельные слои в небольших бореальных озерах. Эти слои смешиваются весной и осенью. Среда обитания рыб коррелирует со стратификацией (например, холодноводная рыба, такая как озерная форель, будет оставаться в холодной воде) и Как выяснили эти исследователи, распространяется и распределение электронной ДНК.

Снежные следы

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

eDNA может использоваться для наблюдать за видами в течение года и может быть очень полезным в мониторинге сохранения. Анализ eDNA оказался успешным в идентификации множества различных таксонов водных растений, рыб, мидий, грибов и даже паразитов. eDNA использовалась для изучения видов, сводя к минимуму любой стресс, вызывающий взаимодействие человека, что позволяет исследователям более эффективно отслеживать присутствие видов в более крупных пространственных масштабах. Наиболее распространенное использование в текущих исследованиях - использование электронной ДНК для изучения местонахождения видов, подверженных риску, инвазивных видов и ключевых видов во всех средах. 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. eDNA полагается на эффективность геномного секвенирования и анализа, а также на используемые методы обследования, которые продолжают становиться все более эффективными и дешевыми. Некоторые исследования показали, что эДНК, отобранная из ручья и прибрежной среды, распадается до неопределяемого уровня в течение примерно 48 часов.

Экологическая ДНК может применяться в качестве инструмента для обнаружения малочисленных организмов как в активных, так и в пассивных формах. Активные исследования eDNA нацелены на отдельные виды или группы таксонов для обнаружения с помощью высокочувствительных видоспецифичных количественных маркеров ПЦР или цифровой капельной ПЦР в реальном времени. Методология CRISPR-Cas также применялась для обнаружения отдельных видов по eDNA; использование фермента Cas12a и обеспечение большей специфичности при обнаружении симпатрических таксонов. В пассивных исследованиях eDNA используется массово-параллельное секвенирование ДНК для амплификации всех молекул eDNA в образце без заранее заданной цели, что обеспечивает полное ДНК-свидетельство состава биотического сообщества.

• Metagenomics
• ДНК-штрихкодирование

1. ^Фицетола, Джентиле Франческо; Мяуд, Клод; Помпанон, Франсуа; Таберле, Пьер (2008). «Обнаружение видов с использованием ДНК окружающей среды из проб воды». Письма биологии. 4 (4): 423–425. DOI : 10.1098 / RSBL.2008.0118. ISSN 1744-9561. ПМЦ 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 маркеров ДНК». PLOS ONE. 11 (6): 1–16. doi : 10.1371 / journal.pone.0157505. ISSN 1932-6203. PMC 4911152. PMID 27310720 - через Справочник журналов открытого доступа.
5. ^ 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. doi : 10.1016 / j.tree.2014.04.003. ISSN 1872-8383. PMID 24821515.
6. ^ Томсен, Филип Фрэнсис; Виллерслев, Эске (01.03.2015). «Экологическая ДНК - новый инструмент в области сохранения для мониторинга прошлого и настоящего биоразнообразия». Биологическая консервация. Специальный выпуск: Экологическая ДНК: новый мощный инструмент для сохранения биоразнообразия. 183 : 4–18. дои : 10.1016 / j.biocon.2014.11.019.
7. ^ Цудзи, Сацуки (2016). «Влияние pH воды и обработки протеиназой K на выход ДНК окружающей среды из образцов воды». Лимнология. 18 : 1–7. DOI : 10.1007 / s10201-016-0483-x. ISSN 1439-8621. S2CID 44793881.
8. ^ Басс, Дэвид (2015). «Разнообразные применения методов ДНК из окружающей среды в паразитологии». Тенденции в паразитологии. 31 (10): 499–513. doi : 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 : 2003Sci... 300..791W. doi : 10.1126 / science.1084114. ISSN 0036-8075. PMID 12702808. S2CID 1222227.
10. ^Андерсен, Кеннет; Птица, Карен Лизе; 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. DOI : 10.1111 / j.1365-294X.2011.05261.x. ISSN 1365-294X. PMID 21917035.
11. ^Тернер, Кэмерон Р. (2014). «Экологическая ДНК рыб больше сконцентрирована в водных отложениях, чем в поверхностных водах». Биологическая консервация. 183 : 93–102. doi : 10.1016 / j.biocon.2014.11.017. ISSN 0006-3207.
12. ^ Шульц, Мартин (2015). «Моделирование чувствительности полевых исследований для обнаружения ДНК окружающей среды (еДНК)». PLOS ONE. 10 (10): 1–16. doi : 10.1371 / journal.pone.0141503. ISSN 1932-6203. ПМЦ 4624909. PMID 26509674.
13. ^ 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. DOI : 10.1101 / 2020.04.21.042820. S2CID 218466213.
14. ^«Как и почему озера расслаиваются и переворачиваются: мы объясняем науку». Район экспериментальных озер МИУР. 2018-05-16. Проверено 14 июля 2020 г.
15. ^«Арно Лье из WWF об измерении популяций диких животных». Всемирный фонд дикой природы. Проверено 26 ноября 2018 г.
16. ^«Электронная ДНК - больше не только для рыбаков-биологов». дикая природа.org. 2017-12-08. Проверено 26 ноября 2018 г.
17. ^Рот, Энни (19 ноября 2018 г.). «Как ДНК снега помогает ученым выслеживать неуловимых животных». Национальная география. Проверено 26 ноября 2018 г.
18. ^ Stoeckle, Bernhard (2016). «Экологическая ДНК как инструмент мониторинга находящейся под угрозой исчезновения пресноводной жемчужницы (Margaritifera margaritifera L.): замена классических подходов к мониторингу?». Сохранение водных ресурсов: морские и пресноводные экосистемы. 26 (6): 1120–1129. doi : 10.1002 / aqc.2611.
19. ^ Соуза, Лесли (2016). «Вероятность обнаружения ДНК окружающей среды (еДНК) зависит от сезонной активности организмов». PLOS ONE. 11 (10): 1–15. Bibcode : 2016PLoSO..1165273D. doi : 10.1371 / journal.pone.0165273. ISSN 1932-6203. PMC 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. doi : 10.1371 / journal.pone.0156217. ISSN 1932-6203. PMC 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. doi : 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 грибных сообществ на бывших угольных отвалах». Грибковая экология. 33 : 92–103. doi : 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 переносчики. 11 (1): 342. doi : 10.1186 / s13071-018-2928-z. ISSN 1756-3305. PMC 5994096. PMID 29884202.
24. ^ Bergman, Paul S.; Шумер, Грегг; Бланкеншип, Скотт; Кэмпбелл, Элизабет (2016). «Выявление взрослых особей зеленого осетра с помощью анализа ДНК в окружающей среде». PLOS ONE. 11 (4): 1–8. Bibcode : 2016PLoSO..1153500B. doi : 10.1371 / journal.pone.0153500. ISSN 1932-6203. PMC 4838217. PMID 27096433.
25. ^«Руководство по экологической ДНК (eDNA) от компании 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 разложению многовидовой ДНК окружающей среды в лотических мезокосмах». Биология коммуникации. 1 (1): 4. doi : 10,1038 / s42003-017-0005-3. ISSN 2399-3642. PMC 6123786. PMID 30271891.
28. ^Collins, Rupert A.; Wangensteen, Owen S.; О'Горман, Эоин Дж.; Мариани, Стефано; Симс, Дэвид В.; Геннер, Мартин Дж. (2018-11-05). «Сохранение ДНК окружающей среды в морских системах». Биология коммуникации. 1 (1): 185. doi : 10.1038 / s42003-018-0192-6. ISSN 2399-3642. PMC 6218555. PMID 30417122.
29. ^«Платформа TripleLock ™ - прецизионный биомониторинг». Экологические услуги ДНК. Проверено 12 февраля 2019 г.
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 и их влияние при исследованиях наличия-отсутствия ДНК окружающей среды». Ресурсы молекулярной экологии. 17 (2): 221–229. DOI : 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 молекулярной экологии. 19 (5): 1106–1114. DOI : 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. DOI : 10,17226 / 9500. ISBN 9780309582926.

• BLAST
• Руководство по биоме eDNA