Экологическая ДНК позволяет рано обнаруживать инвазивных раков
Каждое растение и животное имеет уникальный генетический состав, что делает озеро похожим на суп из ДНК — каждая ложка содержит комбинированную ДНК всех обитателей. Ученые недавно начали использовать эту экологическую ДНК (eDNA) для выявления организмов, таких как амфибии и рыбы. Исследователь из Университета Иллинойса с коллегами проанализировал eDNA и успешно обнаружил присутствие высокоинвазивного ржавого рака (Faxonius rusticus) в дюжине озер Висконсина. Использование eDNA для мониторинга трудно обнаруживаемых видов может обеспечить раннее предупреждение о появлении новых инвазивных видов.
"В районе Боулдер-Джанкшн озера долгое время мониторились Университетом Висконсина и Университетом Нотр-Дам, поэтому у нас был существующий градиент озер — от тех, где этого инвазивного рака никогда не наблюдали, до озер, где мы знаем, что ржавые раки многочисленны", — говорит водный эколог Эрик Ларсон. — "Используя инструмент eDNA, мы смогли обнаружить ржавого рака в озерах, где этот вид очень редок. Это говорит о том, что инструмент можно использовать для мониторинга в качестве раннего предупреждения о новых вторжениях в других регионах".
Ларсон изначально скептически относился к использованию eDNA для этого вида. Инструмент был успешен для рыб и амфибий, которые очень подвижны, более слизистые и, предположительно, постоянно выделяют ДНК в окружающую среду. "С моим опытом полевого биолога, я думал — раки. С экзоскелетом. Под камнем. На дне озера. Я не думал, что мы найдем что-то с помощью этого подхода. Очевидно, я обратился".
Как работает технология
В исследовании образцы анализировали с помощью небольшой белой машины, которую можно принять за хлебопечку. Внутри компьютер с лазером многократно нагревает и охлаждает образцы ДНК в химическом растворе. Во время каждого цикла двойные цепи ДНК разделяются, а затем снова собираются. Процесс дупликации экспоненциальный, поэтому за короткое время создаются миллионы копий. Предварительно к ДНК присоединяют краситель, что облегчает исследователям идентификацию и количественную оценку ДНК каждого организма.
Коллега Ларсона, Марк Дэвис, объясняет, что каждое живое существо постоянно сбрасывает клетки, и все эти клетки содержат ДНК. Но eDNA — это не "чистая ДНК", как из образца крови саламандры. "eDNA из озера — это 'грязная' ДНК", — говорит Дэвис. — "Она деградирована, разбита на очень мелкие фрагменты с малым числом копий. С помощью химии и технологий мы ее усиливаем. Используя биоинформатику, компьютер просеивает информацию, чтобы дать нам полный комплекс того, что есть в образце".
Проблемы и ограничения метода
Дэвис отмечает, что проблемы eDNA еще предстоит решить. "Сейчас мы можем сказать, присутствует организм или нет. Но определить точное количество особей сложно. Мы часто не знаем скорость, с которой организм выделяет ДНК, или выделяет ли он ее больше в разное время. Как быстро она разлагается?"
Один потенциальный недостаток этого сверхчувствительного инструмента — увеличение потенциала для обнаружения ложноположительных результатов. Это может произойти при загрязнении оборудования или переносе ДНК на большие расстояния хищниками или течениями. В исследовании Ларсона eDNA рака была обнаружена в двух озерах, где ранее захватчик не наблюдался традиционными методами. Минимальное количество ДНК могло быть перенесено, например, с фекалиями птиц, питавшихся раками в другом озере.
"Возможно, это новые или зарождающиеся инвазии, которые eDNA обнаружила раньше других методов. Но также возможно, что это ложноположительные результаты. Как следствие, это озера, которые мы хотим продолжать мониторить", — говорит Ларсон.
Почему инвазивные раки — проблема
В мире около 600 видов раков, из которых лишь полдюжины стали проблемными захватчиками в США. Эти чужеродные раки поедают икру рыб, уничтожают водные растения и могут негативно влиять на рыб через конкуренцию за пищу и изменение среды обитания.
"Инвазии имеют экономические последствия", — говорит Ларсон. Одна операция по искоренению ржавого рака в Висконсине заняла годы и была очень дорогой. Успех, возможно, был обусловлен засухой, которая значительно снизила уровень озера и изолировала их среду обитания.
"Раки могут ходить по суше, поэтому, если они есть в аквакультурном пруду, ничто не мешает им перебраться через холм и оказаться в национальном парке", — говорит Ларсон. — "Они также распространены в школьных классах в качестве живых животных для поведенческих исследований. Учителя могут не хотеть усыплять раков в конце учебного года. Часто полагая, что повсюду существует только один вид раков, они устраивают выпускную вечеринку и выливают содержимое аквариума в местный пруд или ручей".
Ларсон подчеркивает, что идеально предотвращать инвазии с самого начала. "Но инструмент eDNA дает нам чувствительный и потенциально доступный метод мониторинга трудно обнаруживаемых видов для целей управления. Это может означать ранние предупреждения об этих инвазиях, пока еще есть время для контроля или сдерживания, прежде чем они станут слишком многочисленными".