Часть серии статей о |
ДНК-штрихкодирование |
---|
По таксонам |
Другой |
Методы ДНК-штрихкодирования для рыб используются для идентификации групп рыб на основе последовательностей ДНК в выбранных областях генома . Эти методы могут использоваться для изучения рыб, поскольку генетический материал в форме ДНК окружающей среды (eDNA) или клеток свободно распространяется в воде. Это позволяет исследователям определять, какие виды присутствуют в водоеме, путем сбора пробы воды, извлечения ДНК из пробы и выделения последовательностей ДНК, которые являются специфичными для интересующего вида. [1] Методы штрихкодирования также могут использоваться для биомониторинга и проверки безопасности пищевых продуктов , оценки рациона питания животных , оценки пищевых цепей и распределения видов, а также для обнаружения инвазивных видов . [1]
В исследовании рыб штрихкодирование может использоваться как альтернатива традиционным методам отбора проб. Методы штрихкодирования часто могут предоставлять информацию без повреждения изучаемого животного. [2]
Водные среды обладают уникальными свойствами, которые влияют на распределение генетического материала организмов. Материал ДНК быстро распространяется в водной среде, что позволяет обнаруживать организмы с большой площади при отборе проб в определенном месте. [1] Из-за быстрой деградации ДНК в водной среде обнаруженные виды представляют современное присутствие, не искажая сигналы из прошлого. [3]
Идентификация на основе ДНК является быстрой, надежной и точной в своей характеристике на всех стадиях жизни и для разных видов. [4] Справочные библиотеки используются для привязки последовательностей штрихкодов к отдельным видам и могут использоваться для идентификации видов, присутствующих в образцах ДНК. Библиотеки справочных последовательностей также полезны для идентификации видов в случаях морфологической неоднозначности, например, на личиночных стадиях. [4]
Образцы eDNA и методы штрихкодирования используются в управлении водными ресурсами , поскольку видовой состав может использоваться в качестве индикатора здоровья экосистемы. [5] Методы штрихкодирования и меташтрихкодирования особенно полезны при изучении находящихся под угрозой исчезновения или неуловимых рыб, поскольку виды можно обнаружить, не вылавливая и не причиняя вреда животным. [6]
Биомониторинг водных экосистем требуется национальным и международным законодательством (например, Директивой по водным рамочным соглашениям и Директивой по морской стратегии ). Традиционные методы требуют много времени и включают разрушительные практики, которые могут нанести вред особям редких или охраняемых видов. ДНК-штрихкодирование является относительно экономически эффективным и быстрым методом идентификации видов рыб в водной среде. [7] Наличие или отсутствие ключевых видов рыб может быть установлено с помощью eDNA из образцов воды, а также может быть изучено пространственно-временное распределение видов рыб (например, время и место нереста ). [8] Это может помочь обнаружить, например, воздействие физических барьеров, таких как строительство плотин и другие нарушения, вызванные человеком. Инструменты ДНК также используются в исследованиях рациона рыб и построении водных пищевых сетей . Метабаркодирование содержимого кишечника рыб или фекалий идентифицирует недавно потребленные виды добычи. Однако необходимо учитывать вторичное хищничество. [9]
Раннее обнаружение имеет жизненно важное значение для контроля и удаления неместных, экологически вредных видов (например, рыбы-льва ( Pterois sp.) в Атлантике и Карибском море). Метабаркодирование eDNA может использоваться для обнаружения криптических или инвазивных видов в водных экосистемах. [10]
Подходы штрихкодирования и меташтрихкодирования дают строгие и обширные данные о пополнении, экологии и географических диапазонах рыбных ресурсов. Методы также улучшают знания о районах нагула и нерестилищах, что дает преимущества для управления рыболовством. Традиционные методы оценки рыболовства могут быть весьма разрушительными, например, отбор проб жаберными сетями или траление. Молекулярные методы предлагают альтернативу неинвазивному отбору проб. Например, штрихкодирование и меташтрихкодирование могут помочь идентифицировать икру рыб по видам, чтобы обеспечить надежные данные для оценки запасов, поскольку они оказались более надежными, чем идентификация с помощью фенотипических признаков. Штрихкодирование и меташтрихкодирование также являются мощными инструментами для мониторинга квот на рыбную ловлю и прилова. [11]
eDNA может обнаружить и количественно оценить численность некоторых анадромных видов, а также их временное распределение. Этот подход может быть использован для разработки соответствующих мер управления, что особенно важно для коммерческого рыболовства. [12] [13]
Глобализация цепочек поставок продовольствия привела к росту неопределенности происхождения и безопасности рыбных продуктов. Штрихкодирование может использоваться для проверки маркировки продуктов и отслеживания их происхождения. «Рыбное мошенничество» было обнаружено по всему миру. [14] [15] Недавнее исследование, проведенное в супермаркетах в штате Нью-Йорк, показало, что 26,92% покупок морепродуктов с идентифицируемым штрихкодом были неправильно маркированы. [16]
Штрихкодирование также может отслеживать виды рыб, поскольку употребление рыбы может быть связано с опасностью для здоровья человека . Кроме того, биотоксины могут иногда концентрироваться, когда токсины перемещаются вверх по пищевой цепи. Один пример относится к видам коралловых рифов, где хищные рыбы, такие как барракуда, были обнаружены как вызывающие отравление рыбой Ciguatera . Такие новые ассоциации отравления рыбой могут быть обнаружены с помощью штрихкодирования рыб.
Штрихкодирование может использоваться для сохранения исчезающих видов путем предотвращения незаконной торговли видами, включенными в список CITES . Существует большой черный рынок для рыбных продуктов, а также в торговле аквариумами и домашними животными. Чтобы защитить акул от чрезмерной эксплуатации, незаконное использование может быть обнаружено с помощью штрихкодирования супа из акульих плавников и традиционных лекарств. [17]
Водные среды имеют особые характеристики, которые необходимо учитывать при отборе проб для метабаркодирования eDNA рыб . Отбор проб морской воды представляет особый интерес для оценки здоровья морских экосистем и их биоразнообразия. Хотя дисперсия eDNA в морской воде велика, а соленость отрицательно влияет на сохранение ДНК, проба воды может содержать большое количество eDNA рыб в течение одной недели после отбора проб. Свободные молекулы, кишечная слизистая оболочка и остатки клеток кожи являются основными источниками eDNA рыб. [18]
По сравнению с морской средой, пруды обладают биологическими и химическими свойствами, которые могут изменить обнаружение eDNA. Небольшой размер прудов по сравнению с другими водоемами делает их более чувствительными к условиям окружающей среды, таким как воздействие ультрафиолетового света и изменения температуры и pH. Эти факторы могут влиять на количество eDNA. Более того, деревья и густая растительность вокруг прудов представляют собой барьер, который предотвращает аэрацию воды ветром. Такие барьеры также могут способствовать накоплению химических веществ, которые повреждают целостность eDNA. [19] Гетерогенное распределение eDNA в прудах может повлиять на обнаружение рыб. Доступность eDNA рыб также зависит от стадии жизни, активности, сезонности и поведения. Наибольшее количество eDNA получают во время нереста, личиночных стадий и размножения. [20]
Дизайн праймера имеет решающее значение для успеха метабаркодирования. Некоторые исследования по разработке праймеров описали цитохром B и 16S как подходящие целевые области для метабаркодирования рыб. Эванс и др . (2016) описали, что наборы праймеров Ac16S и L2513/H2714 способны точно определять виды рыб в различных мезокосмах. [21] Другое исследование, проведенное Валентини и др. (2016), показало, что пара праймеров L1848/H1913, которая амплифицирует область локуса 12S рРНК, смогла достичь высокого таксономического покрытия и дискриминации даже с коротким целевым фрагментом. Это исследование также показало, что в 89% мест отбора проб подход метабаркодирования был аналогичен или даже выше, чем традиционные методы (например, методы электролова и сетевые методы). [22] Хэнфлинг и др. (2016) провели эксперименты по метабаркодированию, сфокусированные на сообществах озерных рыб, с использованием пар праймеров 12S_F1/12S_R1 и CytB_L14841/CytB_H15149, чьи мишени были расположены в митохондриальных регионах 12S и цитохрома B соответственно. Результаты показывают, что обнаружение видов рыб было выше при использовании праймеров 12S, чем CytB. Это было связано с сохранением более коротких фрагментов 12S (~100 п.н.) по сравнению с более крупным ампликоном CytB (~460 п.н.). [23] В целом, эти исследования резюмируют, что особые соображения относительно дизайна и выбора праймеров должны быть приняты в соответствии с целями и характером эксперимента.
Существует ряд баз данных с открытым доступом, доступных исследователям по всему миру. Правильная идентификация образцов рыб с помощью методов ДНК-штрихкодирования в значительной степени зависит от качества и видового охвата доступных баз данных последовательностей . Справочная база данных рыб — это электронная база данных, которая обычно содержит ДНК-штрихкоды, изображения и геопространственные координаты исследованных образцов рыб. База данных также может содержать ссылки на контрольные образцы, информацию о распределении видов, номенклатуру, авторитетную таксономическую информацию, сопутствующую информацию по естественной истории и литературные цитаты. Справочные базы данных могут быть курируемыми, что означает, что записи подвергаются экспертной оценке перед включением, или некурируемыми, в этом случае они могут включать большое количество справочных последовательностей, но с менее надежной идентификацией видов.
ФИШ-БОЛ
Инициатива «Штрихкод жизни рыб» (FISH-BOL) www.fishbol.org, запущенная в 2005 году, представляет собой международное исследовательское сотрудничество, которое занимается сбором стандартизированной библиотеки референтных последовательностей ДНК для всех видов рыб. [24] Это согласованный глобальный исследовательский проект, целью которого является сбор и объединение стандартизированных последовательностей штрихкодов ДНК и связанных с ними данных о происхождении ваучеров в курируемой библиотеке референтных последовательностей для содействия молекулярной идентификации всех видов рыб. [25]
Если исследователи хотят внести свой вклад в справочную библиотеку FISH-BOL, им предоставляются четкие инструкции по сбору образцов, визуализации, сохранению и архивированию, а также по протоколам сбора и отправки метаданных. [26] База данных Fish-BOL функционирует как портал к системам данных Barcode of Life (BOLD) .
База штрихкодирования рыбы Французской Полинезии
База данных штрихкодов рыб Французской Полинезии содержит все образцы, пойманные во время нескольких полевых экспедиций, организованных или в которых участвовал CRIOBE (Центр исследований островов и экологической обсерватории) с 2006 года на архипелагах Французской Полинезии. Для каждого классифицированного образца может быть доступна следующая информация: научное название, изображение, дата, координаты GPS, глубина и метод поимки, размер и последовательность ДНК субъединицы цитохромоксидазы c 1 (CO1). Поиск в базе данных можно осуществлять по названию (род или вид) или по части последовательности ДНК CO1.
Акваген
Aquagene — совместный продукт, разработанный несколькими немецкими институтами, который предоставляет бесплатный доступ к тщательно отобранной генетической информации о видах морских рыб. База данных позволяет идентифицировать виды путем сравнения последовательностей ДНК. Все виды характеризуются множественными последовательностями генов, в настоящее время включая стандартный ген штрихкодирования CO1 вместе с CYTB, MYH6 и (скоро) RHOD, что облегчает однозначное определение видов даже для близкородственных видов или видов с высоким внутривидовым разнообразием. Генетические данные дополняются онлайн дополнительными данными об отобранном образце, такими как цифровые изображения, номер ваучера и географическое происхождение.
Дополнительные ресурсы
Другими справочными базами данных, которые носят более общий характер, но также могут быть полезны для штрихкодирования рыб, являются Barcode of Life Datasystem и Genbank .
Штрихкодирование/метабаркодирование обеспечивает быструю и обычно надежную идентификацию видов, что означает, что морфологическая идентификация, т. е. таксономическая экспертиза, не требуется. Метабаркодирование также позволяет идентифицировать виды, когда организмы деградируют [27] или доступна только часть организма. Это мощный инструмент для обнаружения редких и/или инвазивных видов, которые могут быть обнаружены, несмотря на низкую численность. Традиционные методы оценки биоразнообразия рыб, [6] численности и плотности включают использование таких орудий, как сети, электрорыболовное оборудование, [6] тралы, клетки, сети-фике или другие орудия, которые показывают надежные результаты присутствия только для распространенных видов. Напротив, редкие местные виды, а также недавно установленные чужеродные виды с меньшей вероятностью могут быть обнаружены традиционными методами, что приводит к неверным предположениям об отсутствии/присутствии. [6] Штрихкодирование/метабаркодирование также в некоторых случаях является неинвазивным методом отбора проб, поскольку оно дает возможность анализировать ДНК из eDNA или путем отбора проб живых организмов. [28] [29] [30]
Для паразитов рыб метабаркодирование позволяет обнаруживать скрытых или микроскопических паразитов из водной среды, что сложно с более прямыми методами (например, идентификация видов из образцов с помощью микроскопии). Некоторые паразиты демонстрируют скрытые вариации, и метабаркодирование может быть полезным методом для их выявления. [31]
Применение метабаркодирования eDNA экономически эффективно в крупных исследованиях или когда требуется много образцов. eDNA может сократить расходы на ловлю рыбы, транспортировку образцов и время, затрачиваемое таксономистами, и в большинстве случаев требует лишь небольших количеств ДНК от целевых видов для надежного обнаружения. Постоянное снижение цен на штрихкодирование/метабаркодирование из-за технического развития является еще одним преимуществом. [2] [22] [32] Подход eDNA также подходит для мониторинга недоступных сред.
Результаты, полученные с помощью метабаркодирования, ограничены или смещены в сторону частоты встречаемости. Также проблематично, что далеко не все виды имеют прикрепленные к ним штрихкоды. [27]
Хотя метабаркодирование может преодолеть некоторые практические ограничения обычных методов отбора проб, все еще нет консенсуса относительно экспериментального дизайна и биоинформатических критериев для применения метабаркодирования eDNA. Отсутствие критериев обусловлено неоднородностью экспериментов и исследований, проведенных до сих пор, которые касались различных видов и численности рыб, типов водных экосистем, количества маркеров и специфичности маркеров. [32]
Еще одной значительной проблемой для метода является то, как количественно оценить численность рыб по молекулярным данным. Хотя есть некоторые случаи, в которых количественная оценка была возможна [33], похоже, нет единого мнения о том, как или в какой степени молекулярные данные могут соответствовать этой цели для мониторинга рыб. [34]
{{cite web}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)