Штрихкодирование ДНК водных макробеспозвоночных
Часть серии статей о
ДНК-штрихкодирование
 
ДНК-штрихкодирование • Метабаркодирование
 
По таксонам
Другой


ДНК-штрихкодирование является альтернативным методом традиционной морфологической таксономической классификации и часто используется для идентификации видов водных макробеспозвоночных (обычно считаются достаточно большими, чтобы их можно было увидеть без увеличения). Многие из них являются важными индикаторными организмами в биооценке пресноводных (например: Ephemeroptera , Plecoptera , Trichoptera ) и морских (например, Annelida , Echinoderms , Molluscs ) экосистем.

С момента своего появления область ДНК-штрихкодирования достигла зрелости, чтобы преодолеть разрыв между традиционной таксономией и молекулярной систематикой. Эта техника способна предоставлять более подробную таксономическую информацию, особенно для криптических, небольших или редких видов. ДНК-штрихкодирование включает в себя специфическое нацеливание на области генов, которые встречаются и сохраняются у большинства видов животных, но имеют высокую вариабельность между представителями разных видов. Точная диагностика зависит от низкой внутривидовой вариабельности по сравнению с вариабельностью между видами, короткая последовательность ДНК, такая как ген цитохромной субъединицы оксидазы I (COI), позволила бы точно отнести особь к таксону .

Методология

Хотя концепция использования расхождения последовательностей ДНК для различения видов уже была описана ранее, Хеберт и др. (2003) были пионерами, предложившими стандартизацию ДНК-штрихкодирования как метода молекулярного различения видов. [1]

Сбор образцов для ДНК-штрихкодирования не отличается от традиционных методов, за исключением того, что образцы должны храниться в этаноле высокой концентрации (>70%). [2] Было отмечено, что типичный протокол хранения образцов бентоса в формалине оказывает неблагоприятное воздействие на целостность ДНК. [3]

Ключевой концепцией штрихкодирования макробеспозвоночных является правильный выбор ДНК-маркеров (область ДНК-штрихкода) для амплификации соответствующих областей генов с использованием методов ПЦР . Область ДНК-штрихкода должна быть идеально сохранена в пределах вида, но изменчива среди разных (даже близкородственных) видов, и поэтому ее последовательность должна служить видоспецифической генетической меткой. Поэтому выбор маркера играет важную роль. [4] Ген цитохромной субъединицы оксидазы I (COI) является одним из наиболее широко используемых маркеров при штрихкодировании макробеспозвоночных. Другими маркерами, которые можно использовать, являются гены рибосомальной РНК 16S и 18S .

Более того, сортировка беспозвоночных по разным размерным категориям полезна, поскольку особи в образце могут значительно различаться по биомассе в зависимости от вида и стадии жизни. [5]

Более подробную информацию о методах см. в разделе ДНК-штрихкодирование .

ДНК-метабаркодирование

Из-за значительного количества таксонов, составляющих водные сообщества макробеспозвоночных, метод метабаркодирования ДНК обычно используется для оценки отдельных таксонов в объемных или водных образцах. Метабаркодирование ДНК — это метод, который состоит из того же рабочего процесса, что и штрихкодирование ДНК , отличающийся использованием технологий высокопроизводительного секвенирования (HTS) . Потенциал метабаркодирования ДНК в оценке и мониторинге различных таксономических групп был успешно продемонстрирован в нескольких исследованиях. [6] [7] Многочисленные исследователи использовали методы метабаркодирования для классификации бентосных макробеспозвоночных из образцов тканей, [8] указывая на его осуществимость и более высокую чувствительность по сравнению с классическими методами таксономии. Другие подтверждают использование технологий секвенирования следующего поколения (NGS) в образцах окружающей среды для оценки качества воды в морских экосистемах [9] и в исследованиях биоразнообразия пресноводных вод, [10] включая оценку видов макробеспозвоночных. Применение этих технологий в образцах окружающей среды постоянно растет. [11] Большинство недавних исследований основаны на внедрении подходов eDNA , полевой проверке, выборе платформы и штрихкода или ограничениях базы данных. [12]

Применение и проблемы

Методы (мета)штрихкодирования макробеспозвоночных часто используются в:

  • Оценка биоразнообразия. Из-за большого количества видов макробеспозвоночных обработка образцов (сортировка и идентификация) является трудоемкой и часто сложной задачей, которая может привести к ошибкам при оценке. [13]
  • Программы мониторинга окружающей среды . Макробеспозвоночные в пределах одной системы могут быть резидентами от нескольких месяцев до нескольких лет, в зависимости от продолжительности жизни каждого организма. Следовательно, сообщества макробеспозвоночных обитают в водных экосистемах достаточно долго, чтобы отражать хроническое воздействие загрязняющих веществ, и все же достаточно коротко, чтобы реагировать на относительно острые изменения качества воды. Из-за ограниченной подвижности макробеспозвоночных и их относительной неспособности уходить от неблагоприятных условий местоположение хронических источников загрязнения часто можно определить, сравнивая сообщества этих организмов.
  • Обнаружение чужеродных видов . Применение методов eDNA и (мета) штрихкодирования постоянно растет в исследованиях процессов вторжения. [14]
  • Видовая идентификация. Видовая идентификация требует высокого уровня таксономической экспертизы. Различные стадии развития макробеспозвоночных часто трудно идентифицировать морфологически, даже для экспертов , особенно из-за отсутствия соответствующих идентификационных ключей для водных макробеспозвоночных [15] . Например, для некоторых таксонов водных беспозвоночных таксономическая идентификация возможна только для самцов и некоторых поздних возрастов, но сочетание штрихкодирования с традиционной таксономией обеспечивает надежную основу для биологической идентификации. [16] Часто виды не могут быть идентифицированы, поскольку они морфологически скрыты, похожи или представляют собой менее известные группы. [17] Было высказано предположение, что комбинированный анализ морфологических и молекулярных данных может обеспечить наилучшее решение в том, что называется «интегративной таксономией». [18] В ряде исследований использовались подходы штрихкодирования или меташтрихкодирования для различных групп, например, Odonates, в частности стрекоз (Anisoptera) и равнокрылых стрекоз (Zygoptera), с рекомендацией использовать комбинацию маркеров. [19]
  • Реакция на стресс. Отдельные виды пресноводных беспозвоночных, часто объединяемые на более высоком таксономическом уровне для целей биомониторинга, могут существенно различаться по своей толерантности к стрессорам и реагировать более сложными способами, чем наблюдаемые на уровне рода. [20] Идентификации, основанные на ДНК-штрихкодировании, имеют потенциал для улучшения обнаружения небольших изменений в условиях потока. Недавние результаты показали, что ДНК-штрихкодирование может повысить таксономическое разрешение и, таким образом, повысить чувствительность показателей биооценки. [21]

Генетическое штрихкодирование водных макробеспозвоночных также сопряжено со множеством проблем :

  • Справочные библиотеки . Наличие справочных библиотек ДНК-штрихкодов очень важно для идентификации видов. [22]
  • Отсутствующие виды в базах данных. Информация о существующих видах обычно неполная или не соотносится с экологическими параметрами, такими как глубина, метод отбора проб, соленость и т. д.
  • Проверка качества данных . Записи в базах данных часто не курируются.
  • Устаревшая таксономия . Виды в базах данных иногда могут быть названы с использованием устаревшей таксономии (например, синонимы).
  • Количественное измерение видового разнообразия (оценка биомассы и численности видов).
  • Отсутствие информации о ДНК . Виды в более ранней литературе идентифицируются только по таксономическим признакам, для подтверждения которых не существует образцов ДНК.
  • Необходимо учитывать технические проблемы , такие как необходимость применения различных протоколов при работе с различными организмами, выбор соответствующих маркеров штрихкодирования ДНК, дизайн праймеров (идентификация консервативных областей, подходящих в качестве участков связывания праймеров, оценка таксономического покрытия и способности амплифицированных областей разрешать таксоны на уровне семейства и т. д.).
  • Расходы, связанные с секвенированием.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хеберт, Пол Д. Н.; Цивинска, Алина; Болл, Шелли Л.; деВард, Джереми Р. (2003-02-07). «Биологическая идентификация с помощью ДНК-штрихкодов». Труды Лондонского королевского общества. Серия B: Биологические науки . 270 (1512): 313– 321. doi :10.1098/rspb.2002.2218. ISSN  1471-2954. PMC 1691236.  PMID 12614582  .
  2. ^ Stein, Eric D.; White, Bryan P.; Mazor, Raphael D.; Miller, Peter E.; Pilgrim, Erik M. (2013). «Оценка консервации образцов на основе этанола для облегчения использования ДНК-штрихкодирования в программах рутинного пресноводного биомониторинга с использованием бентосных макробеспозвоночных». PLOS ONE . 8 (1): e51273. Bibcode : 2013PLoSO...851273S. doi : 10.1371 /journal.pone.0051273 . PMC 3537618. PMID  23308097. 
  3. ^ Бэрд, Дональд Дж.; Паско, Тимоти Дж.; Чжоу, Синь; Хаджибабаей, Мехрдад (март 2011 г.). «Создание библиотек ДНК-штрихкодов пресноводных макробеспозвоночных из материалов референтной коллекции: сохранение формалином против возраста образца». Журнал Североамериканского бентоведческого общества . 30 (1): 125– 130. doi :10.1899/10-013.1. ISSN  0887-3593. S2CID  3940136.
  4. ^ Андухар, Кармело; Аррибас, Паула; Грей, Клэр; Брюс, Кэтрин; Вудворд, Гай; Ю, Дуглас В.; Фоглер, Альфред П. (январь 2018 г.). «Метабаркодирование пресноводных беспозвоночных для обнаружения последствий разлива пестицидов». Молекулярная экология . 27 (1): 146–166 . Bibcode : 2018MolEc..27..146A. doi : 10.1111/mec.14410. hdl : 10044/1/58144 . PMID  29113023. S2CID  7697860.
  5. ^ Elbrecht, Vasco; Peinert, Bianca; Leese, Florian (сентябрь 2017 г.). «Sorting things out: Assessing effects of unequival sample biomass on DNA metabarcoding». Ecology and Evolution . 7 (17): 6918– 6926. Bibcode : 2017EcoEv ... 7.6918E. doi : 10.1002/ece3.3192. PMC 5587478. PMID  28904771. 
  6. ^ Лейзерович, Франк; Эслинг, Филипп; Пилле, Луик; Уайлдинг, Томас А.; Блэк, Кеннет Д.; Павловски, Ян (ноябрь 2015 г.). «Высокопроизводительное секвенирование и морфология одинаково хорошо подходят для мониторинга бентоса морских экосистем». Scientific Reports . 5 (1): 13932. Bibcode :2015NatSR...513932L. doi :10.1038/srep13932. ISSN  2045-2322. PMC 4564730 . PMID  26355099. 
  7. ^ Elbrecht, Vasco; Vamos, Ecaterina Edith; Meissner, Kristian; Aroviita, Jukka; Leese, Florian (октябрь 2017 г.). Yu, Douglas (ред.). «Оценка сильных и слабых сторон идентификации макробеспозвоночных на основе метабаркодирования ДНК для рутинного мониторинга потоков». Методы в экологии и эволюции . 8 (10): 1265– 1275. doi : 10.1111/2041-210X.12789 .
  8. ^ Кэрью, Мелисса Э.; Петтигров, Винсент Дж.; Метцелинг, Леон; Хоффманн, Ари А. (2013). «Мониторинг окружающей среды с использованием секвенирования следующего поколения: быстрая идентификация видов-биоиндикаторов макробеспозвоночных». Frontiers in Zoology . 10 (1): 45. doi : 10.1186/1742-9994-10-45 . ISSN  1742-9994. PMC 3750358. PMID 23919569  . 
  9. ^ Лейзерович, Франк; Эслинг, Филипп; Пилле, Луик; Уайлдинг, Томас А.; Блэк, Кеннет Д.; Павловски, Ян (ноябрь 2015 г.). «Высокопроизводительное секвенирование и морфология одинаково хорошо подходят для мониторинга бентоса морских экосистем». Scientific Reports . 5 (1): 13932. Bibcode :2015NatSR...513932L. doi :10.1038/srep13932. ISSN  2045-2322. PMC 4564730 . PMID  26355099. 
  10. ^ Дейнер, Кристи; Фронхофер, Эмануэль А.; Махлер, Эльвира; Вальзер, Жан-Клод; Альтерматт, Флориан (декабрь 2016 г.). «Экологическая ДНК показывает, что реки являются конвейерными лентами информации о биоразнообразии». Nature Communications . 7 (1): 12544. Bibcode :2016NatCo...712544D. doi :10.1038/ncomms12544. ISSN  2041-1723. PMC 5013555 . PMID  27572523. 
  11. ^ Зайко, Анастасия; Мартинес, Хосе Л.; Ардура, Альба; Клуза, Лаура; Боррелл, Яисель Дж.; Самуиловиене, Аурелия; Рока, Агустин; Гарсиа-Васкес, Ева (декабрь 2015 г.). «Обнаружение вредных видов с помощью NGST: недостатки методологии и возможное применение при мониторинге балластных вод» (PDF) . Морские экологические исследования . 112 (Pt B): 64–72 . Бибкод : 2015MarER.112...64Z. doi :10.1016/j.marenvres.2015.07.002. PMID  26174116. S2CID  9579967.
  12. ^ Фернандес, Сара; Родригес, Сауль; Мартинес, Хосе Л.; Боррелл, Яисель Дж.; Ардура, Альба; Гарсиа-Васкес, Ева (8 августа 2018 г.). Мельхер, Ульрих (ред.). «Оценка пресноводных макробеспозвоночных с помощью метабаркодирования эДНК: тематическое исследование реки Налон». ПЛОС ОДИН . 13 (8): e0201741. Бибкод : 2018PLoSO..1301741F. дои : 10.1371/journal.pone.0201741 . ISSN  1932-6203. ПМК 6082553 . ПМИД  30089147. 
  13. ^ Хаазе, Петер; Паульс, Штеффен У.; Шиндехютте, Карин; Зундерманн, Андреа (декабрь 2010 г.). «Первый аудит образцов макробеспозвоночных из программы мониторинга Рамочной директивы ЕС по водным ресурсам: человеческая ошибка значительно снижает точность результатов оценки». Журнал Североамериканского бентоведческого общества . 29 (4): 1279– 1291. doi :10.1899/09-183.1. ISSN  0887-3593. S2CID  86777562.
  14. ^ "REABIC - Журналы - Записи о биоинвазиях - Выпуск 1 (2018)". www.reabic.net . doi : 10.3391/bir.2018.7.1.08 . Получено 19.04.2019 .
  15. ^ Вентер, Гермоин Дж.; Подразделение по наукам об окружающей среде и управлению, Северо-Западный университет, Почефструм, Южная Африка; Безуиденхаут, Корнелиус К.; Подразделение по наукам об окружающей среде и управлению, Северо-Западный университет, Почефструм, Южная Африка (2016-05-26). "ДНК-основанная идентификация водных беспозвоночных, полезная в контексте Южной Африки?". Южноафриканский научный журнал . 112 (5/6): 4. doi : 10.17159/sajs.2016/20150444 . ISSN  0038-2353.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ ДеВальт, Р. Эдвард (2011-03-01). «ДНК-штрихкодирование: таксономическая точка зрения». Журнал Североамериканского бентоведческого общества . 30 (1): 174– 181. doi :10.1899/10-021.1. ISSN  0887-3593. S2CID  84203382.
  17. ^ Кэрью, Мелисса Э.; Петтигров, Винсент Дж.; Метцелинг, Леон; Хоффманн, Ари А. (2013). «Мониторинг окружающей среды с использованием секвенирования следующего поколения: быстрая идентификация видов-биоиндикаторов макробеспозвоночных». Frontiers in Zoology . 10 (1): 45. doi : 10.1186/1742-9994-10-45 . ISSN  1742-9994. PMC 3750358. PMID 23919569  . 
  18. ^ Телетчеа, Фабрис (2010-12-01). «Спустя 7 лет и 1000 цитирований: Сравнительная оценка предложений по ДНК-штрихкодированию и ДНК-таксономии для таксономистов и не-таксономистов». Mitochondrial DNA . 21 (6): 206– 226. doi :10.3109/19401736.2010.532212. ISSN  1940-1736. PMID  21171865. S2CID  10486130.
  19. ^ Rach, Jessica; Bergmann, Tjard; Paknia, Omid; DeSalle, Rob; Schierwater, Bernd; Hadrys, Heike (13.04.2017). Yue, Bi-Song (ред.). «Выбор маркера: неожиданная разрешающая способность неисследованной области CO1 для подходов к многослойному ДНК-штрихкодированию». PLOS ONE . 12 (4): e0174842. Bibcode : 2017PLoSO..1274842R. doi : 10.1371/journal.pone.0174842 . ISSN  1932-6203. PMC 5390999. PMID 28406914  . 
  20. ^ Macher, Jan N.; Salis, Romana K.; Blakemore, Katie S.; Tollrian, Ralph; Matthaei, Christoph D.; Leese, Florian (февраль 2016 г.). «Воздействие множественных стрессоров на беспозвоночных в ручьях: ДНК-штрихкодирование выявляет контрастные реакции криптических видов поденок». Ecological Indicators . 61 : 159– 169. doi :10.1016/j.ecolind.2015.08.024.
  21. ^ Stein, Eric D.; White, Bryan P.; Mazor, Raphael D.; Jackson, John K.; Battle, Juliann M.; Miller, Peter E.; Pilgrim, Erik M.; Sweeney, Bernard W. (2014-03-01). «Улучшает ли ДНК-штрихкодирование эффективность традиционных показателей биооценки потоков?». Freshwater Science . 33 (1): 302– 311. doi : 10.1086/674782 . ISSN  2161-9549. S2CID  67753537.
  22. ^ Вебб, Джеффри М.; Якобус, Люк М.; Фанк, Дэвид Х.; Чжоу, Синь; Кондратьев, Борис; Джерачи, Кристи Дж.; ДеУолт, Р. Эдвард; Бэрд, Дональд Дж.; Ричард, Бартон (2012-05-30). Фентон, Брок (ред.). "Библиотека ДНК-штрихкодов для североамериканских Ephemeroptera: прогресс и перспективы". PLOS ONE . 7 (5): e38063. Bibcode : 2012PLoSO...738063W. doi : 10.1371/journal.pone.0038063 . ISSN  1932-6203. PMC 3364165. PMID 22666447  . 
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Aquatic_macroinvertebrate_DNA_barcoding&oldid=1214856292"