Штрих-кодирование ДНК рыб - Fish DNA barcoding

Методы штрих-кодирования ДНК 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 виде ДНК окружающей среды (еДНК) или клеток свободно распространяется в воде. Это позволяет исследователям определить, какие виды присутствуют в водоеме, путем сбора образца воды, извлечения ДНК из образца и выделения последовательностей ДНК, специфичных для интересующих видов. Методы штрих-кодирования также могут использоваться для биомониторинга иподтверждения безопасности пищевых продуктов , оценки рациона животных , оценки пищевых сетей и распределения видов, а также для обнаружения инвазивных видов .

При исследовании рыб штрих-кодирование может использоваться как альтернатива традиционным методам отбора проб. Методы штрих-кодирования часто могут предоставить информацию без ущерба для исследуемого животного.

Водная среда обладает уникальными свойствами, которые влияют на распределение генетического материала организмов. Материал ДНК быстро распространяется в водной среде, что позволяет обнаруживать организмы на большой территории при отборе пробы из определенного места. Из-за быстрой деградации ДНК в водной среде обнаруженные виды представляют современное присутствие без искажающих сигналов из прошлого.

Идентификация на основе ДНК - быстрая, надежная и точная характеристика для разных стадий жизни и видов. Справочные библиотеки используются для связывания последовательностей штрих-кода с отдельными видами и могут использоваться для идентификации видов, присутствующих в образцах ДНК. Библиотеки эталонных последовательностей также полезны для идентификации видов в случаях морфологической неоднозначности, например, на личиночных стадиях.

Образцы электронной ДНК и методы штрихового кодирования используются в управлении водными ресурсами , поскольку видовой состав может использоваться в качестве индикатора здоровья экосистемы. Методы штрих-кодирования и метабаркодирования особенно полезны при изучении находящихся под угрозой исчезновения или неуловимых рыб, поскольку виды могут быть обнаружены без поимки или причинения вреда животным.

Приложения

Экологический мониторинг

Биомониторинг водных экосистем требуется в соответствии с национальным и международным законодательством (например, Рамочной директивой по водным ресурсам и Рамочной директивой по морской стратегии ). Традиционные методы требуют много времени и включают разрушительные методы, которые могут нанести вред особям редких или охраняемых видов. Штрих-кодирование ДНК - относительно экономичный и быстрый метод определения водных сред обитания рыб. Присутствие или отсутствие ключевых видов рыб можно установить с помощью электронной ДНК по пробам воды, а также можно изучить пространственно-временное распределение видов рыб (например, время и место нереста ). Это может помочь обнаружить, например, воздействие физических препятствий, таких как строительство плотин и другие нарушения человека. Инструменты ДНК также используются в диетических исследованиях рыб и построении водных пищевых сетей . Метабаркодирование содержимого кишечника или фекалий рыб позволяет идентифицировать недавно съеденные виды добычи. Однако следует учитывать вторичное хищничество.

Инвазивные виды

Раннее обнаружение жизненно важно для контроля и удаления неместных, экологически вредных видов (например, рыбы-льва ( Pterois sp.) В Атлантике и Карибском бассейне). Метабаркодирование eDNA можно использовать для обнаружения загадочных или инвазивных видов в водных экосистемах.

Управление рыболовством

Подходы штрих-кодирования и метабаркодирования позволяют получать точные и обширные данные о пополнении, экологии и географических ареалах рыбных ресурсов. Эти методы также улучшают знания о питомниках и нерестилищах, что приносит пользу управлению рыболовством. Традиционные методы оценки промысла, такие как отбор проб жаберных сетей или траление, могут быть очень разрушительными. Молекулярные методы предлагают альтернативу неинвазивному отбору проб. Например, штрих-кодирование и метабаркодирование могут помочь идентифицировать икры рыб по видам, чтобы обеспечить надежные данные для оценки запасов, поскольку они оказались более надежными, чем идентификация по фенотипическим признакам. Штрих-кодирование и метабаркодирование также являются мощными инструментами мониторинга квот на промысел и прилова.

eDNA может обнаруживать и количественно определять численность некоторых анадромных видов, а также их временное распределение. Этот подход может быть использован для разработки соответствующих мер управления, особенно важных для коммерческого рыболовства.

Безопасности пищевых продуктов

Глобализация цепочек поставок пищевых продуктов привела к росту неопределенности в отношении происхождения и безопасности рыбных продуктов. Штрих-кодирование может использоваться для подтверждения маркировки продуктов и отслеживания их происхождения. «Рыбное мошенничество» было обнаружено по всему миру. Недавнее исследование, проведенное в супермаркетах штата Нью-Йорк, показало, что 26,92% покупок морепродуктов с идентифицируемым штрих-кодом были неправильно маркированы.

С помощью штрих-кодирования можно также отслеживать виды рыб, поскольку потребление рыбы может представлять опасность для здоровья человека . Кроме того, иногда биотоксины могут концентрироваться, когда токсины перемещаются вверх по пищевой цепочке. Один из примеров относится к видам коралловых рифов, где было обнаружено, что хищные рыбы, такие как барракуда, вызывают отравление рыбой сигуатера . Такие новые ассоциации с отравлением рыб можно обнаружить с помощью штрих-кодирования рыб.

Конфискованные акульи плавники

Защита исчезающих видов

Штрих-кодирование может использоваться для сохранения исчезающих видов путем предотвращения незаконной торговли видами, внесенными в список СИТЕС . Существует большой черный рынок для продуктов на основе рыбы, а также для торговли аквариумами и домашними животными. Чтобы защитить акул от чрезмерной эксплуатации, можно обнаружить незаконное использование супа из акульих плавников и традиционных лекарств.

Методология

Отбор проб в водной среде

Сбор образцов эДНК

Водные среды обладают особыми характеристиками, которые необходимо учитывать при отборе проб для метабаркодирования эДНК рыб . Отбор проб морской воды представляет особый интерес для оценки состояния морских экосистем и их биоразнообразия. Хотя дисперсия эДНК в морской воде велика, а соленость отрицательно влияет на сохранность ДНК, проба воды может содержать большое количество эДНК от рыбы в течение недели после отбора пробы. Свободные молекулы, слизистая оболочка кишечника и остатки клеток кожи являются основными источниками эДНК рыб.

По сравнению с морской средой, пруды обладают биологическими и химическими свойствами, которые могут влиять на обнаружение eDNA. Небольшой размер прудов по сравнению с другими водоемами делает их более чувствительными к условиям окружающей среды, таким как воздействие ультрафиолетового излучения и изменения температуры и pH. Эти факторы могут влиять на количество эДНК. Кроме того, деревья и густая растительность вокруг прудов представляют собой барьер, препятствующий аэрации воды ветром. Такие барьеры также могут способствовать накоплению химических веществ, нарушающих целостность эДНК. Неоднородное распределение эДНК в прудах может повлиять на обнаружение рыб. Доступность еДНК рыб также зависит от стадии жизни, активности, сезонности и поведения. Наибольшее количество eDNA получается в результате нереста, личиночных стадий и размножения.

Целевые регионы

Дизайн праймера имеет решающее значение для успеха метабаркодирования. Некоторые исследования разработки праймеров описали цитохром B и 16S как подходящие области-мишени для метаболического кодирования рыб. Эванс et.al . (2016) описали, что наборы праймеров Ac16S и L2513 / H2714 способны точно определять виды рыб в различных мезокосмах. Другое исследование, проведенное Валентини и др. (2016) показали, что пара праймеров L1848 / H1913, которая амплифицирует область локуса 12S рРНК, способна достичь высокого таксономического охвата и дискриминации даже с коротким целевым фрагментом. Это исследование также показало, что в 89% участков отбора проб метод метабаркодирования был аналогичен или даже превосходит традиционные методы (например, методы электролова и сетей). Hänfling et.al. (2016) провели эксперименты по метабаркодированию, сфокусированные на сообществах озерных рыб, используя пары праймеров 12S_F1 / 12S_R1 и CytB_L14841 / CytB_H15149, мишени которых были расположены в митохондриальных областях 12S и цитохрома B соответственно. Результаты показывают, что определение 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.). В целом, эти исследования резюмируют, что особые соображения по поводу дизайна и выбора праймеров должны быть приняты в соответствии с целями и характером эксперимента.

Справочные базы данных по рыбам

Исследователям во всем мире доступен ряд баз данных с открытым доступом. Правильная идентификация образцов рыб с помощью методов штрих-кодирования ДНК во многом зависит от качества и видового охвата имеющихся баз данных последовательностей . Справочная база данных рыб - это электронная база данных, которая обычно содержит штрих-коды ДНК, изображения и геопространственные координаты исследованных образцов рыб. База данных может также содержать ссылки на ваучерные образцы, информацию о распространении видов, номенклатуру, авторитетную таксономическую информацию, сопутствующую информацию по естественной истории и ссылки на литературу. Справочные базы данных могут быть курированы, что означает, что записи подвергаются экспертной оценке перед включением, или некорректны, и в этом случае они могут включать большое количество справочных последовательностей, но с менее надежной идентификацией видов.

РЫБА-БОЛ

Запущенная в 2005 году инициатива «Рыбный штрих-код жизни» (FISH-BOL) www.fishbol.org представляет собой международное исследовательское сотрудничество, которое собирает стандартизированную библиотеку эталонных последовательностей ДНК для всех видов рыб. Это согласованный глобальный исследовательский проект, целью которого является сбор и компоновка стандартизованных последовательностей штрих-кодов ДНК и связанных данных о происхождении ваучера в тщательно подобранной библиотеке эталонных последовательностей, чтобы помочь молекулярной идентификации всех видов рыб.

Если исследователи желают внести свой вклад в справочную библиотеку FISH-BOL, предоставляются четкие инструкции по сбору образцов, визуализации, сохранению и архивированию, а также протоколы сбора и отправки метаданных. База данных Fish-BOL функционирует как портал для систем данных о штрих-кодах жизни (BOLD) .

База штрих-кодирования рыб Французской Полинезии

База данные Французской Полинезии Рыба Barcoding содержит все образцы , захваченные во время нескольких мест поездки , организованной или в которых участвует CRIOBE (Центр острова исследования и экологическую обсерваторию) с 2006 года в архипелагах Французской Полинезии. Для каждого классифицированного образца может быть доступна следующая информация: научное название, изображение, дата, координата GPS, глубина и метод захвата, размер и последовательность ДНК субъединицы 1 цитохромоксидазы c (CO1). В базе данных можно вести поиск по названию (род или вид) или по части последовательности ДНК CO1.

Акваген

Aquagene - это совместный продукт, разработанный несколькими немецкими учреждениями. Он обеспечивает бесплатный доступ к тщательно отобранной генетической информации о морских видах рыб. База данных позволяет идентифицировать виды путем сравнения последовательностей ДНК. Все виды характеризуются множественными последовательностями генов, включая в настоящее время стандартный ген штрих-кодирования CO1 вместе с CYTB, MYH6 и (в ближайшее время) 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

Другие справочные базы данных, которые носят более общий характер, но также могут быть полезны для штрих-кодирования рыб, - это Barcode of Life Datasystem и Genbank .

Преимущества

Штрих-кодирование / метабаркодирование обеспечивает быструю и обычно надежную идентификацию видов, а это означает, что морфологическая идентификация, то есть таксономическая экспертиза, не требуется. Метабарочное кодирование также позволяет идентифицировать виды, когда организмы деградируют 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, численности и плотности рыб включают использование таких снастей, как сети, оборудование для электролова, тралы, садки, рыболовные сети или другие снасти, которые показывают надежные результаты присутствия только для многочисленных видов. Напротив, редкие местные виды, а также недавно появившиеся чужеродные виды с меньшей вероятностью будут обнаружены традиционными методами, что приводит к неверным предположениям об отсутствии / присутствии. Штрих-кодирование / метабаркодирование также в некоторых случаях является неинвазивным методом отбора проб, поскольку оно дает возможность анализировать ДНК на основе eDNA или путем отбора проб живых организмов.

Для паразитов рыб метабаркодирование позволяет обнаруживать скрытых или микроскопических паразитов в водной среде, что затруднительно при использовании более прямых методов (например, определение видов по образцам с помощью микроскопии). Некоторые паразиты обладают загадочной изменчивостью, и метабаркодирование может быть полезным методом в раскрытии этого.

Применение метабаркодирования eDNA является экономически эффективным при больших обследованиях или когда требуется много выборок. eDNA может снизить затраты на вылов рыбы, транспортировку образцов и время, затрачиваемое систематиками, и в большинстве случаев для надежного обнаружения требуется лишь небольшое количество ДНК от целевых видов. Еще одним преимуществом является постоянное снижение цен на штрихкодирование / метабаркодирование из-за технического развития. Подход eDNA также подходит для мониторинга недоступных сред.

Вызовы

Результаты, полученные с помощью метабаркодирования, ограничены или смещены в зависимости от частоты появления. Также проблематично то, что далеко не ко всем видам прикреплены штрих-коды.

Несмотря на то, что метабаркодирование может преодолеть некоторые практические ограничения традиционных методов выборки, до сих пор нет единого мнения относительно дизайна эксперимента и биоинформатических критериев для применения метабаркодирования eDNA. Отсутствие критериев объясняется неоднородностью проведенных до сих пор экспериментов и исследований, которые касались различного разнообразия и численности рыб, типов водных экосистем, количества маркеров и особенностей маркеров.

Еще одна важная проблема для метода - это количественная оценка численности рыб на основе молекулярных данных. Хотя в некоторых случаях количественная оценка была возможна, похоже, что нет единого мнения о том, как и в какой степени молекулярные данные могут соответствовать этой цели для мониторинга рыб.

Languages

In other projects