Ученые за работой: мы используем ДНК окружающей среды, чтобы отслеживать, как деятельность человека влияет на жизнь в реках и ручьях.

Экологическая ДНК — многообещающий инструмент для отслеживания видов в пресноводных экосистемах, таких как Элкхорн-Крик в Орегоне. Грег Шайн, BLM / Flickr, CC BY

Реки, озера и водно-болотные угодья покрывают только 1% территории На поверхности Земли, но являются домом для почти 10% всех видов, включая рыб, млекопитающих, птиц, насекомых и ракообразных. Но эти богатые и разнообразные экосистемы находятся в состоянии свободного падения. Во всем мире количество видов сокращается сейчас быстрее, чем когда-либо в истории человечества, и пресные воды теряют больше видов, чем экосистемы суши или океана.

Сегодня примерно 1 из 4 пресноводных существ находится на грани исчезновения. Водно-болотные угодья исчезают в три раза быстрее, чем леса. По всему миру качество воды резко падает, она загрязняется пластиком, сточными водами, горным илом, промышленными и сельскохозяйственными химикатами и многим другим.

Трудно изучить, как эти стрессы влияют на водную жизнь. Существует множество разнообразных угроз, а речные сети охватывают обширные географические регионы. Часто они бегают по удаленным, труднодоступным местам. Современные методы мониторинга пресноводных видов являются трудоемкими и дорогостоящими.

В своей работе в качестве исследователей в области экологии мы тестируем новый метод, который может значительно расширить биомониторинг: использование ДНК окружающей среды или eDNA в реках для каталогизации и подсчета видов. . Эти данные необходимы федеральным и местным агентствам, чтобы восстановить качество воды и спасти исчезающие виды от исчезновения.

Этот превью к фильму «Скрытые реки» раскрывает разнообразную и малоизвестную жизнь на водных путях Южных Аппалачей.

Традиционные методы медленные и дорогие

С помощью традиционных методов биомониторинга ученые подсчитывают отдельные виды и их численность на всего несколько сайтов. Например, в одном недавнем исследовании воздействия горных выработок на рыбу в Западной Вирджинии были взяты пробы всего на четырех участках с командой из четырех исследователей.

Для сбора и идентификации водных организмов требуются высококвалифицированные экологи и систематики, имеющие опыт работы с широким спектром пресноводных видов. Для каждой пробы рыбы или беспозвоночных, собранных в поле, требуется от часов до недель, чтобы идентифицировать все виды. Только богатые страны могут позволить себе этот дорогостоящий процесс.

Сохранение исчезающих и находящихся под угрозой исчезновения видов и поддержание здоровья речных экосистем требует мониторинга обширных территорий с течением времени. Чувствительные водные насекомые и виды рыб являются пресноводным эквивалентом пресловутой канарейки в угольной шахте: если эти виды отсутствуют, это явный индикатор проблем с качеством воды. Причиной может быть добыча полезных ископаемых, сельское хозяйство, урбанизация или другие источники, а также плотины, которые блокируют движения животных вниз по течению.

Ученые отбирают рыбу в ручье Мэриленд с помощью «электролова» — оглушение рыбы слабым электрическим импульсом, чтобы они могли быть собраны, идентифицированы и выпущены после того, как шок пройдет.

Свободно плавающие генетические доказательства

Инновации в генетических технологиях создали мощный и доступный новый инструмент, который мы сейчас тестируем. Процесс включает извлечение eDNA из генетического материала, плавающего в воде — кожи, чешуек, фекалий и одноклеточных организмов, таких как бактерии.

Анализируя эту генетическую информацию, мы можем обнаружить широкий спектр видов. Мы начали рассматривать возможность использования eDNA для наших исследований в 2018 году, после того как несколько исследований продемонстрировали ее способность контролировать отдельные представляющие интерес виды или группы организмов в реках и океанах.

Сбор eDNA прост: один образец воды объемом 4 унции может захватить остатки ДНК из тысяч водных видов. Еще одно преимущество заключается в том, что для идентификации не требуется убивать диких животных.

В лаборатории мы анализируем ДНК из разных таксономических групп одну за другой: бактерий, водорослей, рыб и макробеспозвоночных — организмов, у которых отсутствует позвоночник и которые достаточно велики, чтобы увидеть, например, улиток, червей и жуков. Многие исследователи изучают только одну группу, но мы оцениваем их всех одновременно.

Затем мы сопоставляем наши последовательности ДНК с пресноводными видами, которые уже каталогизированы в существующих базах данных. Таким образом, мы можем нанести на карту распространение и численность этих организмов внутри рек и за их пределами.

Для этого процесса требуется только дешевый фильтр, шприц и флаконы, и каждый может это сделать. Коммерческие компании, производящие электронную ДНК, берут менее 200 долларов за извлечение и секвенирование образца.

График, показывающий, как ученые анализируют eDNA для обнаружения различных видов. — Большая часть eDNA, которую авторы собирают из потоков, является микробной (серая ДНК на рисунке выше). Без специальных методов они не смогли бы «увидеть» менее часто встречающуюся ДНК из других таксономических групп, поэтому в их исследованиях будет получена кривая численности видов, подобная той, что представлена в нижнем левом углу, в которой большинство групп, представляющих интерес для сохранения, слишком редки, чтобы их можно было обнаружить или упасть. в «длинный хвост» редких случаев. Используя целевые праймеры — короткие участки ДНК, уникальные для определенных групп организмов — они могут амплифицировать эДНК менее распространенных групп, таких как водоросли, членистоногие и рыбы, как показано справа.
Эмили Бернхардт, произведено с использованием Biorender. CC BY-ND

Измененные реки

Используя этот метод, мы тщательно обследовали 93 реки в Западной Вирджинии, рассматривая все древо жизни, от мельчайших бактерий до рыб, за два дня с помощью четырех -человек команда.

Реки Аппалачей, которые мы изучаем, изобилуют жизнью. Это одни из самых биологически разнообразных пресноводных экосистем умеренного пояса в мире, где обитают многие виды рыб, а также саламандры, раки, мидии и водные насекомые. Многие не встречаются больше нигде. Мы насчитали более 10 000 различных видов в этих 93 водотоках.

Район, в котором мы работали, является регионом интенсивной добычи угля, что сильно влияет на водные пути. Жидкости, стекающие из шахт, являются кислыми, но в этом регионе они вступают в реакцию с известняковыми породами, поэтому в конечном итоге местные водотоки становятся щелочными. Шахтный дренаж также увеличивает соленость водотоков и концентрацию сульфатов и других загрязняющих веществ. Наше исследование показало, что в заминированных водоразделах обитает на 40% меньше видов, чем в районах, где не ведутся горные работы, а обнаруженные нами организмы были менее многочисленны, чем в непораженных реках.

Оценка состояния реки

Мы считаем, что этот новый подход представляет собой революцию в области биомониторинга, расширяя наши возможности количественной оценки и изучения пресноводных организмов. Это также важный новый инструмент сохранения, позволяющий ученым отслеживать изменения в популяциях исчезающих или инвазивных видов. Исследователи также могут использовать электронную ДНК для мониторинга биоразнообразия или обнаружения новых видов в океанах или почвах.

Этот открытый научный метод делает все данные ДНК общедоступными, при этом почти все последовательности помещаются в общедоступные хранилища. В будущем мы ожидаем, что это поможет многим видам исследований, а также программам мониторинга и сохранения на государственном и местном уровнях. Инвестиции в сбор электронной ДНК, идентификацию организмов и анализ их генетических сигнатур будут и дальше делать его более эффективным инструментом.

[ Более 100 000 читателей полагаются на информационный бюллетень The Conversation, чтобы понять мир. Зарегистрируйтесь сегодня.]

Предпринимаются усилия по более эффективному нацеливанию различных индивидуальных видов, уделяя особое внимание тем, которые находятся под угрозой исчезновения, инвазивным видам, наносящим ущерб экосистемам, и чувствительным видам, которые служат индикаторами здоровья рек. Ученые замораживают образцы eDNA при -112 градусов F (-80 C) в ожидании, что технологические достижения могут дать больше информации в будущем.

Традиционные подходы к мониторингу остаются ценными, но eDNA добавляет важный новый инструмент в инструментарий. Вместе эти подходы могут дать ответы на многие вопросы о пищевых сетях, статусе сохранения видов, темпах воспроизводства, взаимодействиях видов, здоровье организмов, болезнях и многом другом.

Мари Симонин, научный сотрудник INRAE , Французский национальный исследовательский институт сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды.

Эмили С. Бернхардт получила финансирование на исследование воздействия добычи угля на вершинах гор от Фонда Каролины и Национального научного фонда, которые поддержали работу, описанную в эта статья. В настоящее время она работает экспертом по этим воздействиям Министерством юстиции США.