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使用eDNA追踪海洋物种

倒置的水母

Cassiopea是一种倒立在海底的水母。

(安德烈·莫兰迪尼则将无法公开关系)

在2018年5月的Balmy Florida Keys日,谢丽尔艾姆斯是史密森尼国家自然历史博物馆的研究合作者,徒步到岛屿连锁店的南端,寻找一个特别是粘液般的水母。Cassiopea xamachana或者是倒立的水母喷出含有刺细胞的大量鼻涕弹作为防御机制。她在那里,因为,因为产卵赛季开始,完美的鸡蛋,精子和鼻涕会分散在周围的海洋中。这是一种新的便携式技术的完美测试地点,可以识别特定物种的存在,只需一点水样。

鼻涕和粪便是大多数人最好避免的体液。对于像艾姆斯这样的海洋生态学家来说,它们已经成为一种神奇的钥匙,可以看到看不见的东西。任何生活在海洋中的动物都会不可避免地留下自己的痕迹,无论是肠道运动还是脱落的皮肤。幸运的是,所有这些都含有这种生物的DNA。现在,从海洋中收集的单一水样可以通过DNA测序技术来揭示生活在该地区的物种。而环境DNA(缩短到EDNA)研究已经存在于过去15年的淡水生态和十多年的海洋科学中,只有这项技术进入足够先进,可以在收集时和地点完成整个测序过程。AMES的目标是使用这项技术来识别否则会被忽视的关键物种。从已知物种的区域开始,就像Cassiopeaoff the Keys是展示该技术工作原理的第一步。

“我是否有疑问,我是否甚至要上班,但要让我惊讶我们得到了很大的结果,”艾拉·柯林斯,Noaa渔业在史密森尼的国家自然历史博物馆和共同主持博物馆中的无脊椎动物动物学家说一篇概述便携式eDNA过程的新论文。“这是如何为伟大的科学创造性和刺激性的伟大的说明”

在红树林里的根部

红树林中的一个集水点。

(安德烈·莫兰迪尼则将无法公开关系)

使用DNA进行识别是一个多步骤过程,通过制作便携式所有工具,可以证明是棘手的。首先,必须过滤水 - 需要几个筛,真空泵和小型电子搅拌器以去除大颗粒。然后使用更多便携的小工具和化学物质从细过滤器纸中分离EDNA,然后用DNA标签打扮 - 类似于分子魔术贴的东西 - 以允许测序机识别实验中靶向的基因。从小比特中确定物种的身份需要使用序列仪,传统上占据在实验室中的整个桌面计数器的机器,并且需要电源插座。本研究中使用的便携式技术的新颖性 - 纳米孔技术 - 就像通过微观孔隙喂养的片段一样,电脉冲确定该DNA链的独特代码。而不是用于完成此类任务,AME和她的团队的传统大型和繁重设置正在测试升级的系统,该系统可以由计算机供电的手机的大小。由于失败的高潜力,这一直是许多人的过渡。


“我们第一次将纳米opore碎钟序列机连接到外部电池组,为运行它的笔记本电脑,火花从连接两者的加密狗开始飞行,”艾米斯说。“及时序列仪停止运行,我们就像'哦不!数据!“幸运的是,当我们重新加注测序运行时,数据仍然存在。Phew。“

一滴制备好的eDNA分子混合物添加到便携式测序器上,屏幕上显示出所有通过它的DNA的实时遗传密码。然后,将这些密码与与特定物种相关的巨大序列数据库进行比较,以确定哪些物种是由收集在佛罗里达群岛的eDNA所代表的。由于两个原因,这一步骤被证明是远程使用的另一个障碍。首先,在纳米孔设备上读取序列的软件以前是通过互联网运行的。同样地,大多数研究者通常使用互联网来访问庞大的公共序列库(数据库),并通过相应的软件对图书馆进行梳理,直到找到匹配。但由于许多偏远地区甚至连热点都无法到达,对互联网的需求成为了将DNA鉴定带到实验室之外的一个主要障碍。幸运的是,这很容易解决。测序器制造商及时更新,改变了过程,允许使用离线版本的序列读取软件,团队使用公共数据库的下载版本和软件来搜索序列。

在树林里的科学家液体

艾姆斯小心地将eDNA溶液填满测序器。

(礼貌Cheryl Ames)

当艾姆斯和他的团队成功地将测序器连接到计算机上时,一排又一排的序列开始出现。当他们在大型数据库中搜索时,看到了吗,大多数匹配被列为Cassiopea,倒立的水母。艾姆斯说,研究结果让我们松了一口气,但更令人兴奋的是,其他种类的水母也开始出现。在实验过程中,海月水母(水母),以及两种有毒的箱形水母(Tamoya.sp。,和Alatina alata)众所周知,在人类中引起严重的叮咬也出现在屏幕上。在水样收集期间实际观察到这些其他物种中没有一项,表明该过程真的可以揭示否则会被忽视的物种。

埃姆斯说:“我希望有一天它能被用于缓解刺痛,就像一个天气预报应用程序可能报告每天的‘飓风风险’,但它会报告某些海滩的‘水母刺痛风险’。”艾姆斯花了大量时间在水母蜇伤很常见的地区进行研究,并警告该地区是否有有毒水母,这可以防止无数游泳者受到伤害。

目前,便携式测序仪正在帮助识别最近爆发的埃博拉病毒的潜在病例,几个国家的东非农民正在使用这种测序仪识别作物中的植物病原体。此外,该技术对于各种Covid-19病毒变体的快速测序至关重要,这允许有效监测爆发和疾病扩散。这些例子表明,越来越多的行业正在看到这种技术的潜力。在生态领域,该技术也可用于渔业和保护,并且实际上对EDNA数据进行了大量的测试。渔业科学家可以在一条船上有便携式套件,然后他们可以在那里测试某些经济上重要的鱼类是否在该地区。为了保护工作,它可以揭示一个令人担忧的卷重或衰退。Collins可以想象更大的野心 - 这种技术在自由游泳船只(自主水下车辆)中嵌入的未来,并且由于流动站调查它能够识别哪些物种简单地采样水。

“我们不能这样做,但我毫无疑问这将成为现实,”柯林斯说。

除了实际原因,未来,海洋水样的未来揭示了附近的生物将真正成为奇迹。如果这个便携式实验室套件的首次使用能够揭示此区域以前存在的水母种类,我们只能想象它将揭示的其他奇迹。

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Ames, c.l., Ohdera, a.h., Colston, s.m., Collins, a.g., Fitt, W.K, Morandini, a.c., Erickson, J.S.和Vora, g.j., 2021年。美国佛罗里达群岛近岸水域水母生物多样性的可部署环境DNA测序。海洋科学前沿。

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2021.640527/full.

2021年4月