Компактный и автоматизированный пробоотборник eDNA для мониторинга морской среды in situ

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5210 (2023) Цитировать эту статью

3124 Доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Использование ДНК окружающей среды (эДНК) для мониторинга биоразнообразия в водной среде становится эффективной и экономически выгодной альтернативой другим методам, таким как визуальная и акустическая идентификация. До недавнего времени отбор образцов эДНК осуществлялся в основном методами ручного отбора проб; однако с развитием технологий разрабатываются автоматические пробоотборники, чтобы сделать отбор проб проще и доступнее. В этом документе описывается новый пробоотборник eDNA, способный самоочищаться, захватывать и сохранять несколько образцов, и все это в одном устройстве, которое может быть развернуто одним человеком. Первое полевое испытание этого пробоотборника состоялось в бассейне Бедфорд, Новая Шотландия, Канада, параллельно с отбором параллельных проб с использованием типичного метода сбора бутылок Нискина и метода фильтрации после сбора. Оба метода позволили охватить одно и то же водное микробное сообщество, и количество репрезентативных последовательностей ДНК хорошо коррелировало между методами со значениями R\(^{2}\) в диапазоне 0,71–0,93. Два метода сбора позволили получить одни и те же 10 лучших семейств с почти одинаковой относительной численностью, продемонстрировав, что пробоотборник смог уловить тот же состав сообщества обычных микробов, что и Niskin. Представленный пробоотборник eDNA обеспечивает надежную альтернативу ручным методам отбора проб, приспосабливается к ограничениям полезной нагрузки автономных транспортных средств и облегчает постоянный мониторинг удаленных и недоступных объектов.

Увеличение активности человека в водной среде привело к обеспокоенности по поводу антропогенного воздействия, вызывающего такие проблемы, как гипоксия, закисление океана и эвтрофикация, вызванная увеличением нагрузки питательными веществами1. Эти воздействия могут препятствовать росту определенных организмов, таких как кальцифицирующие морские виды, чьи раковины и скелеты могут быть затронуты подкислением2, и способствовать росту других видов, в том числе тех, которые вызывают вредоносное цветение водорослей (ВЦВ), которое наносит вред рыбам, а также человеческой экономике3, 4. Временные рамки этих изменений и их последствий могут варьироваться от часов до лет, а поскольку каждая экосистема уникальна, изменения может быть трудно отследить, и для правильной оценки изменений требуются наблюдения на месте с временным разрешением.

Программы биологического мониторинга традиционно фокусировались на ручной идентификации ключевых таксономических групп, представляющих интерес; однако эти программы могут занять много времени и потребовать специальной подготовки в области таксономической идентификации. В последние годы, по мере снижения стоимости секвенирования ДНК и увеличения размера баз данных нуклеиновых кислот, ДНК окружающей среды (эДНК) все чаще используется в качестве показателя биоразнообразия в программах биологического мониторинга5. Мониторинг eDNA включает изучение всей ДНК, присутствующей в окружающей среде6, и имеет множество преимуществ, поскольку он неинвазивный и широко применим как к микробиоте, так и к многоклеточным животным с использованием быстро развивающегося набора аналитических методов от чувствительной экстракции ДНК до обнаружения уникальных последовательностей штрих-кода7. Существуют многочисленные исследования, которые продемонстрировали ценность эДНК для изучения микробного разнообразия, учитывая важность их роли в первичном производстве фитопланктоном и биогеохимическом круговороте мертвого органического вещества. Например, биомониторинг микробиоты в условиях аквакультуры продемонстрировал полезность эДНК для обнаружения быстрой микробной реакции на нарушение окружающей среды и оценки стратегий управления для устойчивой отрасли аквакультуры8,9,10. Кроме того, все большее число исследований демонстрирует важную роль, которую eDNA призвана играть в экологическом мониторинге биоразнообразия рыб11, отслеживании морских млекопитающих12 и других аспектах природоохранной биологии13.

Современные методы отбора образцов эДНК зачастую трудоемки и включают сбор образцов с использованием бутылочек Нискина или аналогичного оборудования с последующими отдельными этапами фильтрации и консервации, часто с использованием перистальтического насоса и морозильной камеры соответственно. Ручные компоненты отбора проб и анализа эДНК ограничивают их использование в удаленных условиях или в условиях, где необходимо брать регулярные образцы, и требуют, чтобы этот процесс выполнял обученный человек. Расширение применимости методов eDNA для решения более сложных задач требует автоматизации, включая разработку автоматического оборудования для отбора проб. Недавно разработанные пробоотборники варьируются от систем с одним фильтром до более сложных систем с несколькими фильтрами, каждая из которых различается по параметрам, таким как продолжительность использования, максимальная глубина и используемые химикаты/консерванты. Репрезентативный список существующих пробоотборников eDNA, как коммерчески доступных, так и исследовательских прототипов, представлен в таблице 1.