ДНК-штрихкодирование в оценке диеты
Часть серии статей о
ДНК-штрихкодирование
 
ДНК-штрихкодирование • Метабаркодирование
 
По таксонам
Другой

ДНК-штрихкодирование в оценке рациона питания - это использование ДНК-штрихкодирования для анализа рациона организмов [1] [2] и дальнейшего обнаружения и описания их трофических взаимодействий [3] [4] Этот подход основан на идентификации потребляемых видов путем характеристики ДНК , присутствующей в образцах рациона [5], например, отдельных остатках пищи, отрыгиваниях, образцах кишечника и фекалий, гомогенизированном теле организма-хозяина, цели исследования рациона (например, со всем телом насекомых [6] ).

Подход к секвенированию ДНК, который следует принять, зависит от широты рациона целевого потребителя. Для организмов, питающихся одним или несколькими видами, можно использовать традиционные методы секвенирования по Сэнгеру . Для полифагных видов с более сложными для идентификации элементами рациона можно определить все потребляемые виды с помощью методологии NGS . [5]

Маркеры штрихкодов , используемые для амплификации, будут различаться в зависимости от рациона целевого организма. Для рационов травоядных стандартные локусы ДНК-штрихкодов будут существенно различаться в зависимости от таксономического уровня растений . [7] Поэтому для идентификации растительной ткани на уровне таксономического семейства или рода используются маркеры rbcL и trn-L-интрон , которые отличаются от локусов ITS2 , matK , trnH-psbA (некодирующий межгенный спейсер), используемых для идентификации элементов рациона на уровне рода и вида . [7] Для добычи животных наиболее широко используемыми маркерами ДНК-штрихкодов для идентификации рациона являются митохондриальная цитохром С-оксидаза ( COI ) и цитохром b ( cytb ). [8] Когда рацион широк и разнообразен, метабаркодирование ДНК используется для идентификации большинства потребляемых элементов. [9]

Преимущества

Основным преимуществом использования ДНК-штрихкодирования при оценке рациона питания является возможность обеспечения высокого таксономического разрешения потребляемых видов. [10] Действительно, по сравнению с традиционным морфологическим анализом, ДНК-штрихкодирование обеспечивает более надежное разделение близкородственных таксонов, уменьшая наблюдаемое смещение. [11] [12] Более того, ДНК-штрихкодирование позволяет обнаруживать мягкие и хорошо переваренные предметы, которые не распознаются с помощью морфологической идентификации. [13] Например, паукообразные питаются предварительно переваренными телами насекомых или других мелких животных, а содержимое их желудков слишком разложено и морфологически не распознается с помощью традиционных методов, таких как микроскопия . [14]

При исследовании рациона травоядных ДНК- метабаркодирование позволяет обнаруживать высокоперевариваемые растительные элементы с большим количеством идентифицированных таксонов по сравнению с микрогистологией и макроскопическим анализом. [15] [16] Например, Николс и др. (2016) подчеркнули таксономическую точность метабаркодирования содержимого рубца , при этом в среднем 90% последовательностей ДНК идентифицируются на уровне рода или вида по сравнению с 75% растительных фрагментов, распознаваемых с помощью макроскопии. Еще одно эмпирически проверенное преимущество метабаркодирования по сравнению с традиционными трудоемкими методами заключается в более высокой экономической эффективности. [17] Наконец, благодаря своему высокому разрешению ДНК-баркодирование представляет собой важнейший инструмент в управлении дикой природой для определения пищевых привычек исчезающих видов и животных, которые могут нанести ущерб окружающей среде. [18]

Вызовы

С помощью ДНК-штрихкодирования невозможно получить информацию о поле или возрасте видов добычи, что может быть решающим. Это ограничение в любом случае можно преодолеть с помощью дополнительного шага в анализе с использованием микросателлитного полиморфизма и амплификации Y-хромосомы . [19] [20] Более того, ДНК предоставляет подробную информацию о самых последних событиях (например, 24–48 часов), но она не может обеспечить более длительную диетическую перспективу, если не проводится непрерывный отбор проб. [21] Кроме того, при использовании универсальных праймеров , которые амплифицируют области «штрихкода» из широкого спектра видов пищи, амплифицируемая ДНК хозяина может значительно превосходить по численности присутствие ДНК добычи, что затрудняет обнаружение добычи. Однако стратегией предотвращения амплификации ДНК хозяина может быть добавление специфичного для хищника блокирующего праймера . [22] [23] [24] Действительно, блокирующие праймеры для подавления амплификации ДНК хищника позволяют амплификацию других групп позвоночных и производят смеси ампликонов , которые преимущественно являются ДНК пищи. [22] [25]

Несмотря на улучшение оценки рациона с помощью ДНК-штрихкодирования, вторичное потребление (добыча добычи, паразиты и т. д.) по-прежнему представляет собой искажающий фактор. Фактически, некоторые вторичные жертвы могут привести к анализу как первичные жертвы, внося смещение . Однако из-за гораздо более низкой общей биомассы и более высокого уровня деградации ДНК вторичной добычи может представлять собой лишь незначительную часть восстановленных последовательностей по сравнению с первичной добычей. [26]

Количественная интерпретация результатов ДНК-штрихкодирования не является простой. [12] Были попытки использовать количество восстановленных последовательностей для оценки обилия видов добычи в содержимом рациона (например, кишечнике, фекалиях). Например, если волк съел больше лося, чем дикого кабана, в его кишечнике должно быть больше ДНК лося, и, таким образом, восстановлено больше последовательностей лося. Несмотря на доказательства общей корреляции между номером последовательности и биомассой, фактические оценки этого метода оказались безуспешными. [5] [27] Это можно объяснить тем фактом, что ткани изначально содержат разную плотность ДНК и могут перевариваться по-разному. [28]

Примеры

Млекопитающие

Диета млекопитающих широко изучается с помощью ДНК-штрихкодирования и метабаркодирования . Некоторые различия в методологии можно наблюдать в зависимости от стратегии питания целевого вида млекопитающих, т. е. является ли он травоядным , плотоядным или всеядным .

Для травоядных видов млекопитающих ДНК обычно извлекается из образцов фекалий [29] [16] [30] [31] или содержимого рубца , собранного у животных, сбитых на дороге или убитых во время обычной охоты. [15] В рамках ДНК-штрихкодирования подход trn L может использоваться для идентификации видов растений с использованием очень короткого, но информативного фрагмента хлоропластной ДНК (петля P6 хлоропластного интрона trnL (UAA) ). [32] Потенциально это приложение применимо ко всем видам травоядных, питающихся покрытосеменными и голосеменными растениями [32] В качестве альтернативы подходу trn L маркеры rbcL , ITS2 , matK , trnH-psbA могут использоваться для амплификации видов растений.

При изучении мелких травоядных, ведущих скрытный образ жизни, таких как полевки и лемминги , ДНК-штрихкодирование съеденных растений может быть важнейшим инструментом, дающим точную картину использования пищи. [16] Кроме того, высокое разрешение при идентификации растений, полученное с помощью ДНК-штрихкодирования, позволяет исследователям понять изменение состава рациона с течением времени и изменчивость среди особей, как это наблюдалось у альпийской серны (Rupicapra rupicapra). [33] В период с октября по ноябрь, анализируя состав фекалий с помощью ДНК-штрихкодирования, альпийская серна показала изменение предпочтений в питании. Кроме того, в течение каждого месяца среди особей наблюдались различные категории рациона. [33]

Фекалии волка (Canis lupus), собранные в Швеции
Фекалии волка (Canis lupus), собранные в Швеции

Для плотоядных животных использование неинвазивных подходов имеет решающее значение, особенно при работе с неуловимыми и находящимися под угрозой исчезновения видами . Оценка рациона с помощью ДНК-штрихкодирования фекалий может иметь большую эффективность в обнаружении видов добычи по сравнению с традиционным анализом рациона, который в основном опирается на морфологическую идентификацию непереваренных твердых остатков в фекалиях. [23] Оценивая разнообразие рациона позвоночных леопардовой кошки ( Prionailurus bengalensis ) в Пакистане, Шехзад и др. (2012) определили в общей сложности 18 таксонов добычи с помощью ДНК-штрихкодирования фекалий. Было сообщено о восьми различных таксонах птиц, в то время как предыдущие исследования, основанные на традиционных методах, не выявили ни одного вида птиц в рационе леопардовой кошки. [23] Другим примером является использование ДНК-штрихкодирования для идентификации мягких остатков добычи в содержимом желудка хищников, например, серых тюленей ( Halichoerus grypus ) и морских свиней ( Phocoena phocoena ). [34]

ДНК-метабаркодирование меняет правила игры для изучения сложных диет, таких как для всеядных хищников, питающихся многими различными видами как растительного, так и животного происхождения. [35] [36] Эта методология не требует знаний о пище, потребляемой животными в среде их обитания. [35] В исследовании диеты бурого медведя ( Ursus arctos ) ДНК-метабаркодирование позволило точно реконструировать широкий спектр таксономически различных элементов, присутствующих в образцах фекалий, собранных в полевых условиях. [35]

Птицы

Рыба

Реконструкция пищевой сети с помощью ДНК-штрихкодов на коралловом рифе Муреа , Французская Полинезия. Диетическое разделение среди трех видов хищных рыб, выявленное с помощью метабаркодирования диетического анализа . Таксономическое разрешение, полученное с помощью подхода метабаркодирования, подчеркивает сложную сеть взаимодействия и демонстрирует, что уровни трофического разделения среди рыб кораллового рифа, вероятно, были недооценены. [37] [38]

Членистоногие

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ King RA, Read DS, Traugott M, Symondson WO (февраль 2008 г.). «Молекулярный анализ хищничества: обзор наилучшей практики для подходов на основе ДНК». Молекулярная экология . 17 (4): 947–63 . doi : 10.1111/j.1365-294X.2007.03613.x . PMID  18208490. S2CID  44796921.
  2. ^ Pompanon F, Deagle BE, Symondson WO, Brown DS, Jarman SN, Taberlet P (апрель 2012 г.). «Кто что ест: оценка диеты с использованием секвенирования следующего поколения». Молекулярная экология . 21 (8): 1931–50 . doi : 10.1111/j.1365-294X.2011.05403.x . PMID  22171763. S2CID  10013333.
  3. ^ Шеппард СК, Харвуд ДЖД (октябрь 2005 г.). «Достижения в молекулярной экологии: отслеживание трофических связей через пищевые сети хищник-жертва». Функциональная экология . 19 (5): 751– 762. doi : 10.1111/j.1365-2435.2005.01041.x .
  4. ^ Кресс В. Дж., Гарсия-Робледо С., Уриарте М., Эриксон Д. Л. (январь 2015 г.). «ДНК-штрихкоды для экологии, эволюции и сохранения». Тенденции в экологии и эволюции . 30 (1): 25– 35. doi :10.1016/j.tree.2014.10.008. PMID  25468359.
  5. ^ abc Pompanon F, Deagle BE, Symondson WO, Brown DS, Jarman SN, Taberlet P (апрель 2012 г.). «Кто что ест: оценка диеты с использованием секвенирования следующего поколения». Молекулярная экология . 21 (8): 1931–50 . doi : 10.1111/j.1365-294x.2011.05403.x . PMID  22171763. S2CID  10013333.
  6. ^ Харвуд Дж.Д., Дене Н., Ю Х.Дж., Роули Д.Л., Гринстоун М.Х., Обрицкий Дж.Дж., О'Нил Р.Дж. (октябрь 2007 г.). «Отслеживание роли альтернативной добычи в хищничестве соевой тли Orius insidiosus: молекулярный подход». Молекулярная экология . 16 (20): 4390–400 . doi :10.1111/j.1365-294x.2007.03482.x. PMID  17784913. S2CID  21211301.
  7. ^ ab Kress WJ, García-Robledo C, Uriarte M, Erickson DL (январь 2015 г.). «ДНК-штрихкоды для экологии, эволюции и сохранения». Trends in Ecology & Evolution . 30 (1): 25– 35. doi :10.1016/j.tree.2014.10.008. PMID  25468359.
  8. ^ Tobe SS, Kitchener A, Linacre A (декабрь 2009 г.). «Цитохром b или субъединица I оксидазы цитохрома c для идентификации видов млекопитающих — ответ на спор». Forensic Science International: Genetics Supplement Series . 2 (1): 306–307 . doi : 10.1016/j.fsigss.2009.08.053 . ISSN  1875-1768.
  9. ^ Якубавичюте Э, Бергстрём Ю, Эклёф Дж.С., Хенель К., Бурлат С.Дж. (октябрь 2017 г.). «Метабаркодирование ДНК показывает разнообразный рацион трехиглой колюшки в прибрежной экосистеме». ПЛОС ОДИН . 12 (10): e0186929. Бибкод : 2017PLoSO..1286929J. дои : 10.1371/journal.pone.0186929 . ПМЦ 5653352 . ПМИД  29059215. 
  10. ^ Garnick S, Barboza PS, Walker JW (июль 2018 г.). «Оценка методов, основанных на животных, используемых для оценки и мониторинга состава рациона травоядных пастбищных животных». Rangeland Ecology & Management . 71 (4): 449– 457. doi : 10.1016/j.rama.2018.03.003 .
  11. ^ Сантос Т, Фонсека С, Баррос Т, Годиньо Р, Бастос-Сильвейра С, Бандейра В, Роча Р.Г. (20 мая 2015 г.). «Использование содержимого желудка для анализа рациона плотоядных животных посредством штрих-кодирования ДНК». Биология дикой природы на практике . 11 (1). дои : 10.2461/wbp.2015.11.4.
  12. ^ ab Valentini A, Pompanon F, Taberlet P (февраль 2009 г.). «ДНК-штрихкодирование для экологов». Trends in Ecology & Evolution . 24 (2): 110– 7. doi :10.1016/j.tree.2008.09.011. PMID  19100655.
  13. ^ Piñol J, San Andrés V, Clare EL, Mir G, Symondson WO (январь 2014 г.). «Прагматичный подход к анализу рационов питания хищников-универсалов: использование секвенирования следующего поколения без блокирующих зондов» (PDF) . Ресурсы молекулярной экологии . 14 (1): 18– 26. doi :10.1111/1755-0998.12156. PMID  23957910. S2CID  206946302.
  14. ^ Агусти Н., Шейлер СП., Харвуд ДЖ.Д., Вон ИП., Сандерленд К.Д., Саймондсон ДЖ.О. (2003). «Коллемболы как альтернативная добыча, поддерживающая пауков в пахотных экосистемах: обнаружение добычи среди хищников с использованием молекулярных маркеров». Молекулярная экология . 12 (12): 3467– 3475. doi : 10.1046/j.1365-294X.2003.02014.x . PMID  14629361. S2CID  7985256.
  15. ^ ab Nichols RV, Åkesson M, Kjellander P (июнь 2016 г.). «Оценка диеты на основе содержимого рубца: сравнение метабаркодирования ДНК и макроскопии». PLOS ONE . ​​11 (6): e0157977. Bibcode :2016PLoSO..1157977N. doi : 10.1371/journal.pone.0157977 . PMC 4913902 . PMID  27322387. 
  16. ^ abc Soininen EM, Valentini A, Coissac E, Miquel C, Gielly L, Brochmann C, Brysting AK, Sønstebø JH, Ims RA, Yoccoz NG, Taberlet P (август 2009 г.). «Анализ рациона мелких травоядных: эффективность ДНК-штрихкодирования в сочетании с высокопроизводительным пиросеквенированием для расшифровки состава сложных растительных смесей». Frontiers in Zoology . 6 (1): 16. doi : 10.1186/1742-9994-6-16 . PMC 2736939 . PMID  19695081. 
  17. ^ Stein ED, Martinez MC, Stiles S, Miller PE, Zakharov EV (апрель 2014 г.). Casiraghi M (ред.). «Действительно ли ДНК-штрихкодирование дешевле и быстрее традиционных морфологических методов: результаты обзора усилий по биооценке пресноводных ресурсов в Соединенных Штатах?». PLOS ONE . 9 (4): e95525. Bibcode : 2014PLoSO ...995525S. doi : 10.1371/journal.pone.0095525 . PMC 3995707. PMID  24755838. 
  18. ^ Андо Х, Фуджи С, Каванабэ М, Ао Ю, Иноуэ Т, Такенака А (октябрь 2018 г.). «Оценка загрязнения растений при метабаркодовом анализе диеты травоядных». Научные отчеты . 8 (1): 15563. Бибкод : 2018NatSR...815563A. doi : 10.1038/s41598-018-32845-w. ПМК 6197254 . ПМИД  30349088. 
  19. ^ Гриффитс Р., Тивари Б. (декабрь 1993 г.). «Праймеры для дифференциальной амплификации гена Y области определения пола у ряда видов млекопитающих». Молекулярная экология . 2 (6): 405– 6. doi :10.1111/j.1365-294x.1993.tb00034.x. PMID  8162230. S2CID  43323282.
  20. ^ Taberlet P, Luikart G (сентябрь 1999). «Неинвазивный генетический отбор проб и индивидуальная идентификация». Biological Journal of the Linnean Society . 68 ( 1– 2): 41– 55. doi : 10.1111/j.1095-8312.1999.tb01157.x . ISSN  0024-4066.
  21. ^ Thomsen PF, Kielgast J, Iversen LL, Møller PR, Rasmussen M, Willerslev E (август 2012 г.). «Обнаружение разнообразной морской фауны рыб с использованием ДНК окружающей среды из образцов морской воды». PLOS ONE . 7 (8): e41732. Bibcode : 2012PLoSO...741732T. doi : 10.1371 /journal.pone.0041732 . PMC 3430657. PMID  22952584. 
  22. ^ ab Vestheim H, Jarman SN (июль 2008 г.). «Блокирование праймеров для усиления ПЦР-амплификации редких последовательностей в смешанных образцах — исследование ДНК добычи в желудках антарктического криля». Frontiers in Zoology . 5 (1): 12. doi : 10.1186/1742-9994-5-12 . PMC 2517594 . PMID  18638418. 
  23. ^ abc Shehzad W, Riaz T, Nawaz MA, Miquel C, Poillot C, Shah SA, Pompanon F, Coissac E, Taberlet P (апрель 2012 г.). «Анализ диеты плотоядных животных на основе секвенирования следующего поколения: применение к леопардовой кошке (Prionailurus bengalensis) в Пакистане». Молекулярная экология . 21 (8): 1951– 65. doi :10.1111/j.1365-294x.2011.05424.x. PMID  22250784. S2CID  205364612.
  24. ^ Jarman SN, McInnes JC, Faux C, Polanowski AM, Marthick J, Deagle BE, Southwell C, Emmerson L (декабрь 2013 г.). "Мониторинг рациона популяции пингвинов Адели путем анализа пищевой ДНК в экскрементах". PLOS ONE . 8 (12): e82227. Bibcode : 2013PLoSO...882227J. doi : 10.1371/journal.pone.0082227 . PMC 3864945. PMID  24358158 . 
  25. ^ Vestheim H, Deagle BE, Jarman SN (октябрь 2010 г.). «Применение блокирующих олигонуклеотидов для улучшения соотношения сигнал-шум в ПЦР». Протоколы ПЦР . Методы в молекулярной биологии. Т. 687. Humana Press. С.  265–74 . doi :10.1007/978-1-60761-944-4_19. ISBN 9781607619437. PMID  20967615.
  26. ^ Якубавичюте Э, Бергстрём Ю, Эклёф Дж.С., Хэнель К., Бурлат С.Дж. (23 октября 2017 г.). «Метабаркодирование ДНК показывает разнообразный рацион трехиглой колюшки в прибрежной экосистеме». ПЛОС ОДИН . 12 (10): e0186929. Бибкод : 2017PLoSO..1286929J. дои : 10.1371/journal.pone.0186929 . ПМЦ 5653352 . ПМИД  29059215. 
  27. ^ Piñol J, San Andrés V, Clare EL, Mir G, Symondson WO (январь 2014 г.). «Прагматичный подход к анализу рационов питания хищников-универсалов: использование секвенирования следующего поколения без блокирующих зондов» (PDF) . Ресурсы молекулярной экологии . 14 (1): 18– 26. doi :10.1111/1755-0998.12156. PMID  23957910. S2CID  206946302.
  28. ^ Deagle BE, Chiaradia A, McInnes J, Jarman SN (17.06.2010). «Пиросеквенирование фекальной ДНК для определения рациона малых пингвинов: что входит, то и выходит?». Conservation Genetics . 11 (5): 2039–2048. doi : 10.1007/s10592-010-0096-6. ISSN  1566-0621. S2CID  19992150.
  29. ^ Ковальчик Р., Таберлет П., Куассак Э., Валентини А., Микель С., Каминьски Т., Войчик Дж.М. (февраль 2011 г.). «Влияние методов управления на рацион крупных травоядных - случай зубра в Беловежской пуще (Польша)». Лесная экология и управление . 261 (4): 821–828 . doi :10.1016/j.foreco.2010.11.026.
  30. ^ Ait Baamrane MA, Shehzad W, Ouhammou A, Abbad A, Naimi M, Coissac E, Taberlet P, Znari M (2012-04-27). "Оценка пищевых привычек марокканской газели доркас в М'Сабих Талаа, западно-центральное Марокко, с использованием подхода trnL". PLOS ONE . 7 (4): e35643. Bibcode : 2012PLoSO...735643A. doi : 10.1371/journal.pone.0035643 . PMC 3338736. PMID  22558187 . 
  31. ^ Riaz T, Shehzad W, Viari A, Pompanon F, Taberlet P, Coissac E (ноябрь 2011 г.). "ecoPrimers: вывод новых маркеров штрихкода ДНК из анализа последовательности всего генома". Nucleic Acids Research . 39 (21): e145. doi :10.1093/nar/gkr732. PMC 3241669. PMID  21930509 . 
  32. ^ ab Valentini A, Miquel C, Nawaz MA, Bellemain E, Coissac E, Pompanon F, Gielly L, Cruaud C, Nascetti G, Wincker P, Swenson JE, Taberlet P (январь 2009 г.). "Новые перспективы в анализе диеты на основе ДНК-штрихкодирования и параллельного пиросеквенирования: подход trnL". Molecular Ecology Resources . 9 (1): 51– 60. doi : 10.1111/j.1755-0998.2008.02352.x . PMID  21564566. S2CID  5308081.
  33. ^ ab Rayé G, Miquel C, Coissac E, Redjadj C, Loison A, Taberlet P (2010-11-23). ​​"Новые идеи об изменчивости рациона, выявленные с помощью ДНК-штрихкодирования и высокопроизводительного пиросеквенирования: рацион серны осенью как пример исследования". Ecological Research . 26 (2): 265– 276. doi :10.1007/s11284-010-0780-5. ISSN  0912-3814. S2CID  20754195.
  34. ^ Méheust E, Alfonsi E, Le Ménec P, Hassani S, Jung JL (2014-11-19). «ДНК-штрихкодирование для идентификации мягких остатков добычи в содержимом желудка серых тюленей (Halichoerus grypus) и морских свиней (Phocoena phocoena)». Исследования морской биологии . 11 (4): 385–395 . doi :10.1080/17451000.2014.943240. ISSN  1745-1000. S2CID  83991013.
  35. ^ abc De Barba M, Miquel C, Boyer F, Mercier C, Rioux D, Coissac E, Taberlet P (март 2014 г.). «Мультиплексирование ДНК-метабаркодирования и проверка точности данных для оценки рациона: применение к всеядной диете». Ресурсы молекулярной экологии . 14 (2): 306–23 . doi :10.1111/1755-0998.12188. PMID  24128180. S2CID  25972059.
  36. ^ Clare EL, Fraser EE, Braid HE, Fenton MB, Hebert PD (июнь 2009 г.). «Виды в меню универсального хищника, восточной красной летучей мыши (Lasiurus borealis): использование молекулярного подхода для обнаружения добычи членистоногих». Молекулярная экология . 18 (11): 2532– 42. doi :10.1111/j.1365-294x.2009.04184.x. PMID  19457192. S2CID  3940026.
  37. ^ Рослин, Т. и Маджанева, С. (2016) «Использование ДНК-штрихкодов в построении пищевой сети — объединяйтесь, наземные и водные экологи!». Геном , 59 (9): 603–628. doi :10.1139/gen-2015-0229.
  38. ^ Leray M, Meyer CP, Mills SC. (2015) «Анализ метабаркодирования рациона хищных рыб, обитающих в кораллах, демонстрирует незначительный вклад коралловых мутуалистов в их сильно разделенный, универсальный рацион». PeerJ , 3 : e1047. doi :10.7717/peerj.1047.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ДНК_штрихкодирование_в_оценке_диеты&oldid=1188094080"