Экологические исследования биоразнообразия предоставляют фундаментальную исходную информацию о встречаемости видов и состоянии экосистемы, но для их проведения могут потребоваться значительные трудовые и таксономические знания. Однако, поскольку стоимость высокопроизводительного секвенирования ДНК в последние годы резко упала, ДНК из образцов окружающей среды (eDNA) стала экономически эффективным источником данных о биоразнообразии. В исследовании, опубликованном в недавнем выпуске Applications in Plant Sciences, д-р Мария Кузьмина и ее коллеги из Университета Гвельфа демонстрируют возможность секвенирования эДНК для определения разнообразия водных растений.
Традиционно экологические исследования биоразнообразия требуют многих часов кропотливой работы таксономических экспертов и подготовленных неспециалистов, идентифицирующих большое количество образцов до видового уровня на основе морфологии. После того, как исследование секвенирования эДНК разработано, добавление дополнительных образцов эДНК является относительно тривиальным и недорогим, поэтому этот метод дает возможность идентифицировать виды в масштабе, который был бы чрезмерно дорогим при использовании традиционных средств. Это позволяет получить гораздо больше данных о том, какие виды живут где и при гораздо меньших затратах. Тем не менее, человеческий таксономический опыт по-прежнему является важной частью уравнения. По словам доктора Кузьминой, хотя «eDNA определенно становится все более и более рентабельной для экологического мониторинга, она никогда не заменит эксперта для точной идентификации отдельного экземпляра. Эти два подхода существуют в двух разных измерениях, идеально дополняя друг друга».
Секвенирование eDNA сопряжено со своими проблемами. Как объясняет доктор Кузьмина: «Эксперимент необходимо планировать со всеми предосторожностями для предотвращения загрязнения извне, с отрицательным контролем и продуманной интерпретацией результатов». Разумный выбор маркеров ДНК для тестирования также необходим для получения значимых результатов. Большинство исследований секвенирования эДНК были сосредоточены на разнообразии животных или микробов, поскольку растения могут быть более сложной мишенью. Это связано с тем, что не существует универсальных маркеров ДНК растений, которые можно было бы применять к большому количеству видов растений и при этом эффективно идентифицировать образцы вплоть до видового уровня.
Однако д-р Кузьмина и ее коллеги разработали свое исследование для изучения более узкого таксономического охвата, сосредоточив внимание только на семействе рдестовых (Potamogetonaceae). Этот дизайн эффективно сделал отсутствие универсальных маркеров ДНК растений спорным вопросом, в то же время предоставляя экологически значимую информацию о разнообразии водорослей. «Цель состояла в том, чтобы разработать метод, который можно было бы использовать для обнаружения редких или находящихся под угрозой исчезновения видов водорослей», - говорит доктор. Кузьмина. «Сужение поиска позволило сделать метод более чувствительным, а интерпретацию результатов - более надежной».
Рдесты являются отличным кандидатом для секвенирования эДНК, помимо их поддающихся анализу ДНК-маркеров. Их довольно сложно идентифицировать до уровня вида на основе морфологии, полагаясь на микроскопические признаки и требуя значительных знаний, и они часто живут в труднодоступных водных средах обитания. Рдесты также полезны для классификации местообитаний и являются важными биоиндикаторами здоровья водных экосистем, поскольку разные виды приспособлены к разным температурам и химическому составу воды. Кроме того, семь видов североамериканских водорослей находятся под угрозой исчезновения, в том числе два вида в Онтарио, где проводилось это исследование.
«В более широком смысле комбинация видов водорослей может использоваться как «отпечаток пальца» пресноводных экосистем, указывающий на качество воды и демонстрирующий, насколько эта система подходит для других пресноводных организмов, таких как рыбы и беспозвоночные», - объясняет Др. Кузьмина. Это исследование показало, что разнообразие водорослей было недооценено в редком Благотворительном исследовательском заповеднике в Онтарио, и обнаружило присутствие трех видов водорослей, ранее неизвестных в заповеднике.
Секвенирование эДНК - многообещающий способ получения больших объемов высококачественных данных о местонахождении видов. Эти методы в настоящее время совершенствуются, чтобы ответить на конкретные вопросы, такие как обнаружение исчезающих или инвазивных видов или в качестве биоиндикаторов качества воды или почвы. В этом исследовании доктор Кузьмина и ее коллеги показали, что целенаправленное секвенирование эДНК определенных групп растений, таких как водоросли, может дать важную экологическую информацию.