Das Leben im Ozean ist weitgehend unsichtbar. Die Überwachung, was wo lebt, ist kostspielig - normalerweise sind große Boote, große Netze, qualifiziertes Personal und viel Zeit erforderlich. Eine aufkommende Technologie, die sogenannte Umwelt-DNA verwendet, umgeht einige dieser Einschränkungen und bietet eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit, herauszufinden, was sich unter der Wasseroberfläche befindet.
Verwandte Inhalte
- Wie Wissenschaftler winzige DNA-Reste verwenden, um Tiergeheimnisse zu lösen
Fische und andere Tiere werfen DNA in Form von Zellen, Sekreten oder Ausscheidungen ins Wasser. Vor ungefähr 10 Jahren haben Forscher in Europa erstmals gezeigt, dass kleine Mengen Teichwasser genügend frei schwebende DNA enthielten, um ansässige Tiere zu erkennen.
In der Folge haben Forscher nach aquatischer eDNA in mehreren Süßwassersystemen und in jüngster Zeit in erheblich größeren und komplexeren Meeresumgebungen gesucht. Während das Prinzip der aquatischen eDNA gut etabliert ist, fangen wir gerade erst an, das Potenzial für die Erkennung von Fischen und deren Häufigkeit in bestimmten marinen Umgebungen zu untersuchen. Die Technologie verspricht viele praktische und wissenschaftliche Anwendungen, von der Festlegung nachhaltiger Fischquoten über die Bewertung des Schutzes bedrohter Arten bis hin zur Bewertung der Auswirkungen von Offshore-Windparks.
Wer ist im Hudson, wann?
In unserer neuen Studie haben meine Kollegen und ich getestet, wie gut aquatische eDNA Fische in der Mündung des Hudson River in der Nähe von New York City nachweisen kann. Obwohl es sich um die am stärksten verstädterte Flussmündung Nordamerikas handelt, hat sich die Wasserqualität in den letzten Jahrzehnten dramatisch verbessert, und die Flussmündung hat teilweise ihre Rolle als wesentlicher Lebensraum für viele Fischarten wiedererlangt. Die verbesserte Gesundheit der Gewässer in der Region wird durch das regelmäßige Auftreten von Buckelwalen im Herbst unterstrichen, die sich an großen Schulen von atlantischen Menhaden an den Grenzen des Hafens von New York auf dem Gelände des Empire State Building ernähren.
Vorbereitung, um den Auffangeimer in den Fluss zu schleudern. (Mark Stöckle, CC BY-ND) Unsere Studie ist die erste Aufzeichnung der Frühlingswanderung von Meeresfischen durch Durchführung von DNA-Tests an Wasserproben. Von Januar bis Juli 2016 haben wir an zwei Standorten in der Stadt wöchentlich einen Liter (etwa ein Viertel) Wasserproben gesammelt. Da die Küste von Manhattan gepanzert und erhöht ist, warfen wir einen Eimer an einem Seil ins Wasser. Winterproben hatten wenig oder keine Fisch-eDNA. Ab April wurde ein stetiger Anstieg der Fischbestände festgestellt, wobei bis zum Frühsommer etwa 10 bis 15 Arten pro Probe nachgewiesen wurden. Die eDNA-Ergebnisse stimmten weitgehend mit unserem vorhandenen Wissen über Fischbewegungen überein, das aus Jahrzehnten traditioneller Wadenfängererhebungen gewonnen wurde.
Unsere Ergebnisse belegen die „Goldlöckchen“ -Qualität der aquatischen eDNA - es scheint genau die richtige Zeit zu dauern, um nützlich zu sein. Wenn es zu schnell verschwand, würden wir es nicht erkennen können. Wenn es zu lange andauerte, würden wir keine saisonalen Unterschiede feststellen und wahrscheinlich DNAs vieler Süßwasser- und offener Ozeanarten sowie lokaler Flussmündungsfische finden. Untersuchungen legen nahe, dass die DNA in Abhängigkeit von Temperatur, Strömung usw. über Stunden bis Tage zerfällt.
Insgesamt erhielten wir eDNAs, die zu 42 lokalen Meeresfischarten passen, darunter die meisten (80 Prozent) der lokal häufig vorkommenden oder verbreiteten Arten. Darüber hinaus wurden von den von uns entdeckten Arten häufiger häufige oder häufig vorkommende Arten beobachtet als lokal ungewöhnliche. Dass die Spezies-eDNA übereinstimmende traditionelle Beobachtungen von lokal verbreiteten Fischen in Bezug auf die Häufigkeit nachweist, ist eine gute Nachricht für die Methode - sie unterstützt eDNA als Index der Fischzahlen. Wir gehen davon aus, dass wir irgendwann alle einheimischen Arten nachweisen können - indem wir größere Mengen an zusätzlichen Stellen in der Mündung und in verschiedenen Tiefen sammeln.
Mit eDNA identifizierter Fisch in einer Tagesprobe aus dem New Yorker East River. (New York State Department of Environmental Conservation: Alewife (Heringsart), Streifenbarsch, amerikanischer Aal, Mummichog; Massachusetts Department of Fish und Game: Schwarzmeerbarsch, Bluefish, Atlantic Silverside; New Jersey Scuba Diving Association: Oyste) Zusätzlich zu lokalen Meeresarten fanden wir in einigen Proben auch lokal seltene oder fehlende Arten. Die meisten waren Fisch, den wir essen - Nil Tilapia, Atlantischer Lachs, Europäischer Wolfsbarsch („branzino“). Wir spekulieren, dass diese aus dem Abwasser stammen - obwohl der Hudson sauberer ist, bleibt die Abwasserverschmutzung bestehen. Wenn in diesem Fall die DNA auf diese Weise in die Flussmündung gelangt ist, kann möglicherweise festgestellt werden, ob eine Gemeinde geschützte Arten konsumiert, indem ihr Abwasser untersucht wird. Die verbleibenden Exoten, die wir fanden, waren Süßwasserarten, überraschend wenige angesichts der großen täglichen Süßwasserzuflüsse in die Salzwassermündung aus der Hudson-Wasserscheide.
Filtration des Mündungswassers zurück ins Labor. (Mark Stöckle, CC BY-ND) Analyse der nackten DNA
Unser Protokoll verwendet Methoden und Ausrüstungsstandards in einem molekularbiologischen Labor und folgt denselben Verfahren, die zum Beispiel für die Analyse menschlicher Mikrobiome verwendet werden.
Nach dem Sammeln lassen wir Wasserproben durch einen Filter mit kleiner Porengröße (0, 45 Mikron) laufen, der suspendiertes Material, einschließlich Zellen und Zellfragmente, einfängt. Wir extrahieren DNA aus dem Filter und amplifizieren sie mithilfe der Polymerasekettenreaktion (PCR). PCR ist wie das "Xeroxing" einer bestimmten DNA-Sequenz, bei dem genügend Kopien erstellt werden, um eine einfache Analyse zu ermöglichen.
Wir haben auf mitochondriale DNA abgezielt - das genetische Material in den Mitochondrien, der Organelle, die die Energie der Zelle erzeugt. Mitochondriale DNA ist in viel höheren Konzentrationen als Kern-DNA vorhanden und daher leichter nachzuweisen. Es hat auch Regionen, die bei allen Wirbeltieren gleich sind, was es uns leichter macht, mehrere Arten zu vermehren.
eDNA und andere Rückstände blieben auf dem Filter zurück, nachdem das Mündungswasser hindurchgegangen war. (Mark Stöckle, CC BY-ND) Wir markierten jede amplifizierte Probe, sammelten die Proben und schickten sie zur Sequenzierung der nächsten Generation. Der Wissenschaftler und Co-Autor der Rockefeller University, Zachary Charlop-Powers, erstellte die bioinformatische Pipeline, die die Sequenzqualität bewertet und eine Liste der eindeutigen Sequenzen und „gelesenen Zahlen“ in jeder Probe erstellt. So oft haben wir jede einzelne Sequenz entdeckt.
Um Arten zu identifizieren, wird jede einzelne Sequenz mit denen in der öffentlichen Datenbank GenBank verglichen. Unsere Ergebnisse stimmen damit überein, dass die gelesene Zahl proportional zur Fischzahl ist, es ist jedoch mehr Arbeit an der genauen Beziehung von eDNA und Fischhäufigkeit erforderlich. Beispielsweise können einige Fische mehr DNA als andere abgeben. Die Auswirkungen von Fischsterblichkeit, Wassertemperatur, Eiern und Larvenfischen auf erwachsene Formen könnten ebenfalls eine Rolle spielen.
Genau wie in Fernsehkrimiserien stützt sich die eDNA-Identifizierung auf eine umfassende und genaue Datenbank. In einer Pilotstudie identifizierten wir lokale Arten, die in der GenBank-Datenbank fehlten oder unvollständige oder nicht übereinstimmende Sequenzen aufwiesen. Um die Identifizierung zu verbessern, sequenzierten wir 31 Exemplare von 18 Arten aus wissenschaftlichen Sammlungen der Monmouth University sowie aus Ködergeschäften und Fischmärkten. Diese Arbeit wurde größtenteils von der studentischen Forscherin und Co-Autorin Lyubov Soboleva, Senior an der John Bowne High School in New York City, geleistet. Wir haben diese neuen Sequenzen in der GenBank hinterlegt und die Abdeckung der Datenbank auf etwa 80 Prozent unserer lokalen Arten erhöht.
Sammelstellen der Studie in Manhattan. (Mark Stöckle, CC BY-ND) Wir haben uns auf Fische und andere Wirbeltiere konzentriert. Andere Forschungsgruppen haben einen aquatischen eDNA-Ansatz auf Wirbellose angewendet. Im Prinzip könnte die Technik die Vielfalt des gesamten Tier-, Pflanzen- und Mikrobenlebens in einem bestimmten Lebensraum bewerten. EDNA erkennt nicht nur Wassertiere, sondern spiegelt auch Landtiere in nahe gelegenen Wassereinzugsgebieten wider. In unserer Studie war die braune Ratte, ein gewöhnlicher Stadtbewohner, das häufigste in New Yorker Gewässern entdeckte Wildtier.
Zukünftige Studien könnten autonome Fahrzeuge einsetzen, um routinemäßig entfernte und tiefe Standorte zu untersuchen und die Vielfalt des Meereslebens besser zu verstehen und zu verwalten.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Mark Stoeckle, Senior Research Associate im Programm für die menschliche Umwelt, The Rockefeller University
