Оценка биоразнообразия с помощью только лишь проб воды

Морской охраняемый район (МОР) «Внешний риф Зюльт» отличается необычно высоким для Северного моря биоразнообразием. Для оценки биоразнообразия в таких МОР традиционно используются трудоемкие методы: сети, дночерпатели, подводные камеры.

Биолог д-р Зильке Лакманн и её команда из Института функционального морского биоразнообразия имени Гельмгольца (HIFMB) используют принципиально иной подход — анализ экологической ДНК (eDNA). Это генетический материал, содержащийся в биологических остатках (клетках, слизи, чешуе, фекалиях), свободно плавающих в морской воде.

Как это работает?

Цель исследователей — сделать оценку морского биоразнообразия по пробам воды надежным рутинным методом. eDNA-анализ обладает огромным потенциалом, так как позволяет:

• Анализировать целые сообщества за один раз.
• Снижать воздействие на среду по сравнению с традиционным отбором организмов.

В рамках проекта CREATE eDNA играет центральную роль в анализе биоразнообразия МОР. Ключевой вид проекта — европейская устрица. Один из ключевых вопросов: перемещаются ли личинки устриц из МОР «Боркумский риф» течениями в другие районы.

От микроскопа к генам

За последние 4 года команда заложила основу для этого, совершив переход от классических морфологических методов идентификации видов к молекулярным. Для получения полной картины ученые используют три метода параллельно:

1. Традиционный сбор планктона сетями с последующей идентификацией под микроскопом.
2. Генетический анализ второй половины того же улова.
3. Непосредственный анализ eDNA из проб воды, взятых на разных глубинах.

Для видовой идентификации используется метод, схожий с ПЦР-тестами. Ученые концентрируются на фрагменте гена COI (цитохром с-оксидаза, субъединица I), последовательность которого уникальна для каждого вида животных. Эти «генетические штрихкоды» сравниваются с огромными международными базами данных.

Анализ всего массива генетического материала из пробы окружающей среды называется метабаркодированием. «В наших образцах миллионы таких генетических фрагментов от самых разных организмов. После секвенирования мы сравниваем последовательности с записями в базе данных и получаем список видов или групп», — объясняет Лакманн.

Разработка методики и её возможности

За четыре года команда разработала специальный инструментарий для работы с eDNA, ответив на ключевые методические вопросы (объем воды, частота отбора проб, тип фильтра, базы данных, пороговые значения, алгоритмы анализа).

Результат: «Теперь мы знаем, что метабаркодирование eDNA действительно способно идентифицировать все различные группы беспозвоночных и рыб, обитающих в Северном море. И мы хорошо понимаем, как лучше всего применять этот метод для решения разных задач».

Метод открывает ранее скрытые области биоразнообразия:

• Обнаружение криптических видов (генетически новых, но внешне схожих с известными).
• Повышение вероятности находки редких или исчезающих видов, включая морских млекопитающих. «Мы находим больше видов, чем могли идентифицировать ранее».
• Идентификация личинок. С помощью метабаркодирования можно точно определить, к какому виду принадлежат многие личинки бентосных организмов и рыб, что раньше было невозможно. «Теперь мы впервые можем определить, какие личинки плавают в воде в то или иное время года. Это позволяет делать выводы об их распределении и репродуктивных циклах». В период размножения (поздняя весна, лето) eDNA-анализ может обнаружить в 4 раза больше видов в пробах зоопланктона, чем традиционные методы.

Личинки европейской устрицы также практически неотличимы под микроскопом. Однако в подготовительных исследованиях для проекта CREATE команде уже удалось успешно идентифицировать их генетический материал в пробах воды.

Важность интеграции методов

Лакманн подчеркивает, что даже в будущем нельзя полагаться исключительно на генетический метод. «Мне хотелось бы использовать интегративные методы, то есть сочетать традиционные и новые. Это дает лучшее из обоих миров». Как морской биолог, она не хочет отказываться от идентификации организмов под микроскопом: «Я думаю, это важно, чтобы установить связь с организмами, которых я изучаю».

Интерпретация результатов eDNA-метабаркодирования не всегда однозначна. Лакманн проверяет все списки видов на соответствие реальности. Иногда в списках неожиданно появляются наземные животные (куры, коровы, кабаны, мыши), что объясняется попаданием их ДНК в море через реки или балластные воды.

«Я думаю, это важно, чтобы установить связь с организмами, которых я изучаю», — подчеркивает исследовательница. Этот фактор отсутствовал бы при работе исключительно с абстрактными генетическими последовательностями.