海洋生物在很大程度上是隱藏的。監(jiān)控生活在哪里的成本高昂 - 通常需要大船，大網(wǎng)，技術(shù)人員和充足的時(shí)間。使用所謂的環(huán)境DNA的新興技術(shù)可以解決其中的一些限制，提供一種快速，經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)確定水面下的物質(zhì)。

魚(yú)和其他動(dòng)物以細(xì)胞，分泌物或排泄物的形式將DNA排入水中。大約10年前，歐洲的研究人員首次證明，少量的池塘水含有足夠的自由浮動(dòng)DNA來(lái)檢測(cè)常駐動(dòng)物。

研究人員隨后找了水產(chǎn)品的eDNA在多個(gè)淡水系統(tǒng)，以及最近在規(guī)模更大和更復(fù)雜的海洋環(huán)境。雖然水生eDNA的原理已經(jīng)確立，但我們才剛剛開(kāi)始探索其在特定海洋環(huán)境中探測(cè)魚(yú)類及其豐富程度的潛力。該技術(shù)承諾許多實(shí)際和科學(xué)應(yīng)用，包括幫助設(shè)定可持續(xù)魚(yú)類配額和評(píng)估對(duì)瀕危物種的保護(hù)，以及評(píng)估海上風(fēng)電場(chǎng)的影響。

誰(shuí)在哈德遜，什么時(shí)候?

在我們的新研究中，我和我的同事測(cè)試了水生eDNA在紐約市哈德遜河河口探測(cè)魚(yú)的能力。盡管是北美洲城市化程度最高的河口，但在過(guò)去幾十年中，河水水質(zhì)得到了顯著改善，河口部分恢復(fù)了其作為許多魚(yú)類棲息地的重要棲息地的作用。現(xiàn)在，在帝國(guó)大廈遺址內(nèi)紐約港邊界的大西洋鯡魚(yú)大學(xué)飼養(yǎng)的座頭鯨經(jīng)常出現(xiàn)秋季出現(xiàn)，突出了當(dāng)?shù)厮虻慕】禒顩r。

我們的研究是通過(guò)對(duì)水樣進(jìn)行DNA測(cè)試，首次記錄海洋魚(yú)類的春季遷移。我們?cè)?016年1月至7月期間每周在兩個(gè)城市地點(diǎn)收集一升(約一夸脫)水樣。由于曼哈頓海岸線是裝甲和高架，我們將繩子上的水桶扔到水中。冬季樣品很少或沒(méi)有魚(yú)類eDNA。從4月份開(kāi)始，檢測(cè)到的魚(yú)類數(shù)量穩(wěn)步增加，初夏時(shí)每個(gè)樣本約10至15種。eDNA的發(fā)現(xiàn)很大程度上與我們現(xiàn)有的魚(yú)類運(yùn)動(dòng)知識(shí)相匹配，這是幾十年來(lái)傳統(tǒng)的圍網(wǎng)調(diào)查所取得的成功。

我們的研究結(jié)果證明了水中eDNA的“金發(fā)姑娘”質(zhì)量 - 似乎只需要適量的時(shí)間。如果它消失得太快，我們將無(wú)法檢測(cè)到它。如果持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，我們就不會(huì)發(fā)現(xiàn)季節(jié)性差異，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)許多淡水和開(kāi)放海洋物種的DNA以及當(dāng)?shù)睾涌隰~(yú)類的DNA。研究表明，DNA會(huì)在數(shù)小時(shí)到數(shù)天內(nèi)衰減，具體取決于溫度，電流等。

總之，我們獲得的eDNA與42種當(dāng)?shù)睾Ｑ篝~(yú)類相匹配，包括大部分(80%)當(dāng)?shù)刎S富或常見(jiàn)的物種。此外，在我們檢測(cè)到的物種中，觀察到的豐富或常見(jiàn)物種比當(dāng)?shù)夭怀Ｒ?jiàn)的物種更常見(jiàn)。根據(jù)豐富程度檢測(cè)到的物種eDNA與當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)魚(yú)類的傳統(tǒng)觀察相匹配，這對(duì)該方法來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息 - 它支持eDNA作為魚(yú)類數(shù)量的指標(biāo)。我們期望我們最終能夠通過(guò)收集更大的體積，在河口和不同深度的其他地點(diǎn)探測(cè)所有當(dāng)?shù)匚锓N。

除了當(dāng)?shù)氐暮Ｑ笪锓N外，我們還在少數(shù)樣本中發(fā)現(xiàn)了當(dāng)?shù)叵∮谢蛉狈Φ奈锓N。大多數(shù)是我們吃的魚(yú) - 尼羅羅非魚(yú)，大西洋鮭魚(yú)，歐洲鱸魚(yú)(“branzino”)。我們推測(cè)這些來(lái)自廢水 - 即使哈德森更清潔，污水污染仍然存在。如果這就是DNA在這種情況下進(jìn)入河口的方式，那么可以通過(guò)測(cè)試其廢水來(lái)確定一個(gè)社區(qū)是否正在消耗受保護(hù)的物種。我們發(fā)現(xiàn)剩下的外來(lái)物種是淡水物種，令人驚訝的是，由于哈德遜河流域每天都有大量的淡水流入咸水河口。

分析裸露的DNA

我們的方案使用分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的方法和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，并遵循用于分析人類微生物組的相同程序。

收集后，我們通過(guò)一個(gè)小孔徑(0.45微米)過(guò)濾器運(yùn)行水樣，該過(guò)濾器捕獲懸浮物質(zhì)，包括細(xì)胞和細(xì)胞碎片。我們從過(guò)濾器中提取DNA，并使用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)進(jìn)行擴(kuò)增。PCR就像“復(fù)制”特定的DNA序列，產(chǎn)生足夠的拷貝以便于分析。

我們針對(duì)線粒體DNA - 線粒體內(nèi)的遺傳物質(zhì)，即產(chǎn)生細(xì)胞能量的細(xì)胞器。線粒體DNA的存在濃度遠(yuǎn)高于核DNA，因此更易于檢測(cè)。它在所有脊椎動(dòng)物中也有相同的區(qū)域，這使我們更容易擴(kuò)增多個(gè)物種。

我們標(biāo)記了每個(gè)擴(kuò)增的樣本，合并樣本并將它們發(fā)送給下一代測(cè)序。洛克菲勒大學(xué)的科學(xué)家和共同作者Zachary Charlop-Powers創(chuàng)建了生物信息管道，評(píng)估序列質(zhì)量并生成每個(gè)樣本中唯一序列和“讀取數(shù)字”的列表。這是我們檢測(cè)到每個(gè)獨(dú)特序列的次數(shù)。

為了識(shí)別物種，將每個(gè)獨(dú)特序列與公共數(shù)據(jù)庫(kù)GenBank中的序列進(jìn)行比較。我們的結(jié)果與讀數(shù)與魚(yú)數(shù)成正比是一致的，但是對(duì)于eDNA和魚(yú)豐度的精確關(guān)系還需要做更多的工作。例如，一些魚(yú)可能比其他魚(yú)脫落更多的DNA。魚(yú)類死亡率，水溫，蛋和幼魚(yú)與成年形態(tài)的影響也可以發(fā)揮作用。

就像電視犯罪節(jié)目一樣，eDNA識(shí)別依賴于全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫(kù)。在一項(xiàng)試點(diǎn)研究中，我們確定了GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中缺失的當(dāng)?shù)匚锓N，或者序列不完整或不匹配。為了改進(jìn)鑒定，我們對(duì)蒙茅斯大學(xué)，誘餌商店和魚(yú)市場(chǎng)的科學(xué)收藏品中的18個(gè)樣本進(jìn)行了測(cè)序。這項(xiàng)工作主要由學(xué)生研究員和共同作者Lyubov Soboleva完成，她是紐約John Bowne高中的一名大四學(xué)生。我們將這些新序列存放在GenBank中，將數(shù)據(jù)庫(kù)的覆蓋范圍擴(kuò)大到我們當(dāng)?shù)匚锓N的約80%。

我們專注于魚(yú)類和其他脊椎動(dòng)物。其他研究小組已經(jīng)對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物應(yīng)用了水生eDNA方法。原則上，該技術(shù)可以評(píng)估特定棲息地中所有動(dòng)物，植物和微生物生命的多樣性。除了檢測(cè)水生動(dòng)物外，eDNA還可以反映附近流域的陸生動(dòng)物。在我們的研究中，在紐約市水域檢測(cè)到的最常見(jiàn)的野生動(dòng)物是褐鼠，一種常見(jiàn)的城市居民。

未來(lái)的研究可能會(huì)使用自動(dòng)駕駛汽車定期對(duì)遠(yuǎn)程和深部地點(diǎn)進(jìn)行采樣，幫助我們更好地了解和管理海洋生物的多樣性。