Çevresel DNA - Environmental DNA
| Bir serinin parçası |
| DNA barkodlama |
|---|
|
| takson tarafından |
| Başka |
Çevresel DNA veya eDNA , tek bir organizmadan doğrudan örneklenmek yerine toprak , deniz suyu , kar ve hatta hava gibi çeşitli çevresel örneklerden toplanan DNA'dır . Çeşitli organizmalar çevre ile etkileşime girdikçe, DNA çeşitli kaynaklardan dışarı atılır ve çevrelerinde birikir. eDNA'nın örnek kaynakları arasında, bunlarla sınırlı olmamak üzere, dışkı , mukus , gametler , dökülen deri, karkaslar ve saç bulunur . Bu tür numuneler , biyoçeşitliliğin hızlı izlenmesi ve ölçülmesi için metagenomik , metabarkodlama ve tek tür tespiti olarak bilinen yüksek verimli DNA dizileme yöntemleriyle analiz edilebilir . Bir numune içindeki organizmaları daha iyi ayırt etmek için , numunenin analiz edildiği DNA metabarkodlama kullanılır ve hangi organizmaların mevcut olduğunu belirlemek için BLAST gibi önceden çalışılmış DNA kitaplıklarını kullanır .
edna metabarcoding değerlendirmek için yeni bir yöntemdir biyolojik çeşitlilik örnekleri DNA ekstre edilmiş ve daha sonra olan su, birikinti ya da hava yoluyla ortamdan alınır, burada güçlendirilmiş genel kullanılarak veya evrensel primerler de , polimeraz zincir reaksiyonu ve sekanslanmıştır kullanılarak nesil sıralama binlerce oluşturmak için milyonlarca okunmaya. Bu verilerden türlerin varlığı belirlenebilir ve genel biyoçeşitlilik değerlendirilebilir. Geleneksel alan temelli ekolojiyi derinlemesine moleküler yöntemler ve gelişmiş hesaplama araçlarıyla bir araya getiren disiplinler arası bir yöntemdir .
eDNA analizi, yalnızca yaygın türleri izlemek için değil, aynı zamanda koruma çabalarını etkileyebilecek diğer mevcut türleri genetik olarak tespit etmek ve tanımlamak için de büyük bir potansiyele sahiptir. Bu yöntem, canlı organizmanın toplanmasını gerektirmeden biyoizlemeye izin vererek, organizma üzerinde antropojenik stres oluşturmadan istilacı, zor veya tehlike altındaki organizmaları inceleme yeteneği yaratır. Bu genetik bilgiye erişim, iyi belgelenmemiş türler için popülasyon büyüklüğü, tür dağılımı ve popülasyon dinamiklerinin anlaşılmasına kritik bir katkı sağlar . Daha da önemlisi, eDNA, geleneksel örnekleme yöntemlerine kıyasla genellikle daha uygun maliyetlidir. eDNA örneklerinin bütünlüğü, çevre içinde korunmasına bağlıdır.
Toprak, permafrost , tatlı su ve deniz suyu, eDNA örneklerinin çıkarıldığı ve her biri daha fazla şartlandırılmış alt ortam içeren, iyi çalışılmış makro ortamlardır . Bunu çok yönlü olduğundan, Edna'ya birçok uygulanır subenvironments örneğin tatlı su örnekleme, deniz suyu örnekleme, yer toprak örnekleme (tundralar donmuş), su, toprak örnekleme (nehir, göl, su birikintisi ve okyanus tortu) ya da başka ortamlarda gibi olduğu, normal numune alma işlemleri can sorunlu hale gelir.
genel bakış
Çevresel DNA veya eDNA, tüm hücreler, hücre dışı DNA ve potansiyel olarak bütün organizmalar dahil olmak üzere tortu, su ve hava gibi çevresel örneklerde bulunan genetik materyali tanımlar. eDNA, çevresel örneklerden yakalanabilir ve dizisine göre korunabilir, çıkarılabilir, çoğaltılabilir, sıralanabilir ve kategorilere ayrılabilir. Bu bilgilerden türlerin tespiti ve sınıflandırılması mümkündür. eDNA deriden, mukustan, tükürükten, spermden, salgılardan, yumurtalardan, dışkıdan, idrardan, kandan, köklerden, yapraklardan, meyvelerden, polenden ve daha büyük organizmaların çürüyen gövdelerinden gelebilirken, mikroorganizmalar bütünüyle elde edilebilir. eDNA üretimi, organizmanın biyokütlesine, yaşına ve beslenme aktivitesine olduğu kadar fizyolojisine, yaşam öyküsüne ve uzay kullanımına da bağlıdır.
Nispeten yeni bir araştırma yöntemi olmasına rağmen, eDNA'nın biyolojik izlemede muazzam bir potansiyele sahip olduğu zaten kanıtlanmıştır. Zenginliği ve bolluğu araştırmak için geleneksel yöntemler, taksonomik tanımlama ile sınırlıdır, habitatın bozulmasına veya tahrip olmasına neden olabilir ve küçük veya zor türlerin tespit edilmesinin zor olduğu yöntemlere dayanabilir, böylece tüm topluluklar için tahminler imkansız hale gelebilir. eDNA, farklı türleri hedefleyerek, daha fazla çeşitlilik örnekleyerek ve taksonomik çözünürlüğü artırarak bu yöntemleri tamamlayabilir . Ek olarak, eDNA nadir türleri tespit edebilir, ancak cinsiyet oranları ve vücut koşulları gibi popülasyon kalitesi bilgilerini belirleyemez, bu nedenle geleneksel çalışmaları desteklemek için idealdir. Ne olursa olsun, istilacı türlerin ilk oluşumlarını, soyu tükenmiş veya başka bir şekilde tehdit altında olduğu düşünülen yerli türlerin devam eden varlığını ve geleneksel yöntemlerle tespit edilmesi zor olan düşük yoğunluklarda meydana gelen diğer zor türlerin tespit edilmesinde faydalı uygulamalara sahiptir.
eDNA'nın çevrede bozulması, özellikle sıcak, tropik bölgelerde, genellikle yalnızca küçük genetik materyal parçaları kaldığından, eDNA çalışmalarının kapsamını sınırlar. Ek olarak, çevresel koşullara bağlı olarak değişen bozulma süreleri ve DNA'nın su gibi ortamlarda seyahat etme potansiyeli, türlerin ve toplulukların ince ölçekli uzaysal eğilimlerinin çıkarımını etkileyebilir. Bu dezavantajlara rağmen, eDNA, bazı çalışmaların biyokütle ile karşılık geldiğini bulduğu için göreceli veya sıralama bolluğu belirleme potansiyeline sahiptir, ancak çevresel numunelerde bulunan varyasyon, nicelleştirmeyi zorlaştırmaktadır. eDNA'nın koruma, izleme ve ekosistem değerlendirmesinde sayısız uygulamalarının yanı sıra henüz tanımlanmayan diğer uygulamaları olsa da, eDNA'nın oldukça değişken konsantrasyonları ve su kütlesi yoluyla potansiyel heterojenlik, prosedürün ideal olarak bir pilot çalışma ile optimize edilmesini zorunlu kılar. Her yeni uygulama için örnekleme tasarımının hedefi tespit etmeye uygun olmasını sağlamak.
Topluluk DNA'sı
eDNA'nın tanımı basit görünse de, farklı DNA formları arasındaki çizgiler, özellikle toplu organizma örnekleri olarak tanımlanan topluluk DNA'sına kıyasla bulanıklaşır . eDNA numunelerinde yakalanan tüm mikroorganizmalarla ilgili bir soru ortaya çıkıyor: Bu organizmalar numunenin sınıflandırmasını bir topluluk DNA numunesi olarak değiştiriyor mu? Ek olarak, genetik materyalin dışkıdan sınıflandırılması sorunludur ve genellikle eDNA olarak adlandırılır. İkisi arasındaki ayrım önemlidir, çünkü topluluk DNA'sı belirli bir zaman ve yerde organizmanın varlığını gösterirken, eDNA farklı bir yerden, yırtıcı dışkıdan veya geçmişteki varlıktan gelmiş olabilir, ancak bu farklılaşma genellikle imkansızdır. Bununla birlikte, eDNA, biyoçeşitlilik araştırması ve ekosistem analizine uygulanabilir olduklarında dışkı analizi ve toplu numuneler dahil olmak üzere birçok DNA biyoçeşitlilik araştırması sektörünü içerecek şekilde gevşek bir şekilde sınıflandırılabilir.
özDNA
SelfDNA kavramı, 2015 yılında New Phytologist ( https://www.newphytologist.org/news/view/97 ) dergisinde bildirilen ve Napoli Üniversitesi Federico II'den bilim adamlarının öz-DNA hakkında yaptıkları keşiflerden kaynaklanmaktadır. hücre dışı DNA'nın bitkilerde () ve ayrıca bakteri, mantar, alg, bitki, protozoa ve böceklerde () inhibe edici etkisi . Bu tür hücre dışı DNA'nın çevresel kaynağının bitki çöpü olduğu, aynı zamanda farklı ekosistemler ve organizmalardaki diğer kaynaklar olduğu ve DNA parçalarının boyutlarının kendi türdeş organizmaları üzerinde tipik olarak 200 ila 500 baz çifti arasında bir engelleyici etkiye sahip olduğu deneysel olarak gösterilmiş olduğu ileri sürülmektedir. SelfDNA fenomeninin, ekolojik etkileşimleri yönlendirdiği ve hasarla ilişkili moleküler modellerin (DAMP'ler) mekanik olarak aracılık ettiği (,) ve biyosidal uygulamaların geliştirilmesi için potansiyele sahip olduğu varsayılmıştır (). Ayrıca bkz . Dolaşan serbest DNA .
eDNA metabarkodlama
2019 yılına kadar eDNA araştırmalarındaki yöntemler, tüm toplulukları tek bir örnekten değerlendirebilecek şekilde genişletildi. Bu proses, metabarcoding düzeyde açık ya da evrensel kullanımı olarak tanımlanabilir, polimeraz zincir reaksiyonu (PCR), herhangi bir kaynaktan elde edilen karışık bir DNA numuneleri üzerinde primerler takip yüksek verimli nesil dizileme türler bileşimini belirlemek için (NGS) örneklem. Bu yöntem yıllardır mikrobiyolojide yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak yalnızca makro organizmaların değerlendirilmesinde temellerini bulmaktadır. EDNA metabarkodlamanın ekosistem çapındaki uygulamaları, yalnızca toplulukları ve biyoçeşitliliği tanımlama potansiyeline sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda kontaminasyon veya diğer hatalar nedeniyle yanlış okumalarla sınırlı olabilse de, geniş uzaysal ölçeklerde etkileşimleri ve işlevsel ekolojiyi tespit etme potansiyeline sahiptir. Toplamda, eDNA metabarkodlaması geleneksel barkoda göre hızı, doğruluğu ve tanımlamayı artırır ve maliyeti düşürür, ancak tam ekolojik çalışma için taksonomi ve moleküler yöntemleri entegre ederek standartlaştırılması ve birleştirilmesi gerekir.
eDNA metabarcoding, tüm habitatlarda ve taksonomik gruplarda çeşitlilik izleme, eski ekosistem yeniden yapılandırması, bitki-tozlayıcı etkileşimleri , diyet analizi, istilacı tür tespiti, kirlilik tepkileri ve hava kalitesi izleme uygulamalarına sahiptir. eDNA metabarkodlama, halen geliştirilmekte olan benzersiz bir yöntemdir ve teknoloji ilerledikçe ve prosedürler standartlaştıkça muhtemelen bir süre değişim halinde kalacaktır. Bununla birlikte, metabarkodlama optimize edildiğinden ve kullanımı yaygınlaştıkça, ekolojik izleme ve küresel koruma çalışması için önemli bir araç haline gelmesi muhtemeldir.
Hücre dışı ve kalıntı DNA
Bazen kalıntı DNA olarak adlandırılan hücre dışı DNA, ölü mikroplardan elde edilen DNA'dır. Çoğu hücre ölümüyle salınan çıplak hücre dışı DNA (eDNA), çevrede neredeyse her yerde bulunur. Topraktaki konsantrasyonu 2 μg/L kadar yüksek olabilir ve doğal su ortamlarındaki konsantrasyonu 88 μg/L kadar yüksek olabilir. eDNA için çeşitli olası işlevler önerilmiştir: yatay gen transferinde yer alabilir ; besin sağlayabilir; ve iyonları veya antibiyotikleri toplamak veya titre etmek için bir tampon görevi görebilir. Hücre dışı DNA , çeşitli bakteri türlerinin biyofilmlerinde işlevsel bir hücre dışı matris bileşeni olarak işlev görür . Biyofilmde belirli hücre tiplerinin bağlanmasını ve dağılmasını düzenlemek için bir tanıma faktörü olarak hareket edebilir; biyofilm oluşumuna katkıda bulunabilir; ve biyofilmin fiziksel gücüne ve biyolojik strese karşı direncine katkıda bulunabilir.
Çevresel DNA adı altında, eDNA, doğa bilimlerinde ekoloji için bir araştırma aracı olarak , su, hava veya karadaki türlerin hareketlerini ve varlığını izleme ve bir bölgenin biyolojik çeşitliliğini değerlendirme olarak artan bir kullanım görmüştür .
Sağdaki şemada, bir mikrobiyal ortamdaki kalıntı DNA miktarı, bozulmamış DNA'ya sahip canlı bireylerin ölüm oranı ile ilişkili girdiler ve kalıntı DNA'nın bozulmasıyla bağlantılı kayıplar tarafından belirlenir. Kalıntı DNA havuzunda bulunan dizilerin çeşitliliği, bozulmamış DNA havuzundakinden yeterince farklıysa, kalıntı DNA, toplam (sağlam + kalıntı) DNA'dan numune alırken mikrobiyal biyoçeşitlilik tahminlerini (farklı renkli kutularla belirtildiği gibi) saptırabilir. havuz. Girişimlere İlişkin Standartlaştırılmış Veriler (STARDIT), hem örnekleme ve analiz yöntemleri hem de taksonomik ve ontolojik ilişkiler hakkındaki verileri standartlaştırmanın bir yolu olarak önerilmiştir.
çevresel RNA
Toplamak
karasal çökeltiler
eDNA analizinin önemi, kültür temelli çalışmaların sunduğu sınırlamaların tanınmasından kaynaklanmıştır . Organizmalar, doğal ortamlarının belirli koşullarında gelişmeye adapte olmuşlardır. Bilim adamları bu ortamları taklit etmeye çalışsalar da, birçok mikrobiyal organizma laboratuvar ortamında çıkarılamaz ve kültürlenemez. Bu analizin en eski versiyonu, düşman ortamlarda yaşayan mikropları daha iyi anlamak için mikroplardaki ribozomal RNA ( rRNA ) ile başladı . Bazı mikropların genetik yapısına yalnızca eDNA analizi yoluyla erişilebilir. eDNA'nın analitik teknikleri ilk olarak hem soyu tükenmiş hem de var olan memelilerden, kuşlardan, böceklerden ve bitkilerden DNA veren karasal çökeltilere uygulandı . Bu karasal çökeltilerden çıkarılan numunelere genellikle 'tortul antik DNA' ( seda DNA veya kir DNA'sı) olarak atıfta bulunulur . eDNA analizi, kuşlar ve memelilerden mantarlara ve solucanlara kadar her şeyi içeren mevcut orman topluluklarını incelemek için de kullanılabilir. Örnekler, yaprakların ısırıldığı toprak, dışkı, 'ısırık DNA'sı', hayvanların bulunduğu bitki ve yapraklardan ve bölgedeki herhangi bir hayvandan kan yemiş olabilecek sivrisineklerin kan yemeklerinden elde edilebilir. Bazı yöntemler, hedef türler tarafından yaygın olarak çaprazlanan alanlardaki hücreleri saç kapanları ve zımpara kağıdı ile yakalamaya çalışabilir.
su sedimanları
SedaDNA daha sonra antik hayvan çeşitliliğini incelemek için kullanıldı ve sucul tortullardaki bilinen fosil kayıtları kullanılarak doğrulandı. Sudaki çökeltiler oksijenden yoksundur ve bu nedenle DNA'yı bozulmaya karşı korur. Antik çalışmalar dışında, bu yaklaşım, nispeten yüksek hassasiyetle mevcut hayvan çeşitliliğini anlamak için kullanılabilir. Tipik su numuneleri DNA'nın nispeten hızlı bir şekilde bozulmasına neden olabilirken, suda yaşayan tortu numuneleri, türlerin ortaya çıkmasından iki ay sonra faydalı DNA'ya sahip olabilir. Sudaki çökeltilerle ilgili bir sorun, organizmanın su sütununda hareket etmiş olabileceğinden eDNA'yı nerede biriktirdiğinin bilinmemesidir.
Su (su sütunu)
Su sütununda eDNA'yı incelemek, bir su kütlesinin topluluk bileşimini gösterebilir. eDNA'dan önce, açık su çeşitliliğini incelemenin ana yolları, finansman ve vasıflı işgücü gibi kaynaklar gerektiren balıkçılık ve tuzak kullanmaktı, oysa eDNA'nın yalnızca su örneklerine ihtiyacı vardı. Bu yöntem, suyun pH'ı DNA'yı daha önce düşünüldüğü kadar etkilemediği ve duyarlılığı nispeten kolay bir şekilde artırılabildiği için etkilidir . Duyarlılık, numune alınan suda DNA markörünün bulunma olasılığıdır ve daha fazla numune alarak, daha büyük numunelere sahip olarak ve PCR'yi artırarak basitçe artırılabilir . eDNA, su sütununda nispeten hızlı bozunur; bu, hangi türlerin mevcut olduğunun belirlenmesi gibi kısa vadeli koruma çalışmalarında çok faydalıdır.
Araştırmacıları Deneysel Göller Bölgesi içinde Ontario, Kanada ve McGill Üniversitesi'nin Edna dağılımı yansıtır bulduk göl tabakalaşma . Mevsimler ve su sıcaklığı değiştikçe, su yoğunluğu da değişir ve yaz ve kış aylarında küçük boreal göllerde farklı katmanlar oluşturur . Bu katmanlar ilkbahar ve sonbaharda karışır . Bu araştırmacıların bulduğu gibi, balık habitat kullanımı tabakalaşma ile ilişkilidir (örneğin, göl alabalığı gibi bir soğuk su balığı soğuk suda kalacaktır) ve eDNA dağılımı da öyle.
Yukarıdaki soldaki şemada, pembe kesikli çizgi karot alma sırasında kontaminasyon takibi için kimyasal bir izleyicinin kullanıldığını gösterir. Beyaz kesikli çizgi tortu çekirdeğini gösterir. Küçük sarı daireler, sağdaki pasta grafiklere karşılık gelen teorik sedaDNA örnekleme aralıklarını gösterir. Pasta grafikler, kurtarılan sedaDNA dizilerinin çoğunluğunun (~%75) bakterilerden kaynaklandığı ve fosilleşmeyen/kist oluşturan taksonlardan sedaDNA'nın fosilleşmeyen/kist olmayanlara göre arttığı sedaDNA pompalı tüfek analizinden saptanabilen varsayımsal paleo toplulukları temsil eder. -yeraltı derinliği ile oluşturan taksonlar (fosilleşen/kist oluşturan taksonların sedaDNA'sının fosilleşmeyen/kist oluşturmayan taksonlardan daha iyi koruduğu varsayılarak). Denizaltı derinliğine sahip pasta grafiklerinin küçülen boyutu, sedaDNA'da beklenen bir azalmaya işaret ediyor.
Türlerin izlenmesi
eDNA yıl boyunca türleri izlemek için kullanılabilir ve koruma izlemede çok faydalı olabilir. eDNA analizi, su bitkileri, su memelileri, balıklar, midyeler, mantarlar ve hatta parazitlerden birçok farklı taksonun tanımlanmasında başarılı olmuştur. eDNA, insan etkileşimini tetikleyen herhangi bir stresi en aza indirirken türleri incelemek için kullanıldı ve araştırmacıların türlerin varlığını daha büyük uzamsal ölçeklerde daha verimli bir şekilde izlemesine izin verdi. Mevcut araştırmalarda en yaygın kullanım, tüm ortamlarda risk altındaki türlerin, istilacı türlerin ve kilit taşı türlerin konumlarını incelemek için eDNA kullanmaktır. eDNA, özellikle küçük popülasyonlara sahip türlerin incelenmesi için yararlıdır, çünkü eDNA, genellikle bir toprak örneği veya su örneği ile yapılabilen verileri toplamak için nispeten az çabayla bir türün varlığını doğrulamak için yeterince hassastır. eDNA, daha verimli ve daha ucuz hale gelmeye devam eden anket yöntemlerinin yanı sıra genomik dizileme ve analizin verimliliğine de dayanır. Bazı çalışmalar, akarsu ve kıyı ortamından örneklenen eDNA'nın, yaklaşık 48 saat içinde tespit edilemez seviyeye bozulduğunu göstermiştir.
Çevresel DNA, hem aktif hem de pasif formlarda düşük bolluktaki organizmaları tespit etmek için bir araç olarak uygulanabilir. Aktif eDNA araştırmaları, son derece hassas türe özgü nicel gerçek zamanlı PCR veya dijital damlacık PCR belirteçleri kullanarak tespit için tek tek türleri veya takson gruplarını hedefler . CRISPR-Cas metodolojisi, eDNA'dan tek türlerin saptanması için de uygulanmıştır; Cas12a enzimini kullanmak ve sempatik taksonları tespit ederken daha fazla özgüllüğe izin vermek. Pasif eDNA araştırmaları, bir numunedeki tüm eDNA moleküllerini amplifiye etmek için büyük ölçüde paralel DNA dizilimi kullanır ve biyotik topluluk kompozisyonunun kapsamlı DNA kanıtını sağlayan bir ön hedef akılda tutulmaz .
Karasal eklembacaklıların düşüşü
Karasal eklembacaklılar, Avrupa'da olduğu kadar küresel olarak da büyük bir düşüş yaşıyor, ancak türlerin yalnızca bir kısmı değerlendirildi ve böceklerin çoğu hala bilimde tanımlanmadı . Bir örnek olarak, otlak ekosistemleri, gıda kaynakları için nektar ve polen ve gıda ve gelişme için gövde ve yaprak dokusu kullanan tozlayıcılar , fitofag böcekler ve avcılar gibi çeşitli taksonomik ve fonksiyonel karasal eklembacaklı gruplarına ev sahipliği yapar . Bu topluluklar nesli tükenmekte olan türleri barındırmaktadır , çünkü birçok habitat ortadan kalkmıştır veya önemli bir tehdit altındadır. Bu nedenle, Avrupa otlak ekosistemlerini restore etmek ve biyolojik çeşitliliği korumak için kapsamlı çabalar yürütülmektedir . Örneğin, arılar ve kelebekler gibi tozlayıcılar, Avrupa'da ciddi bir düşüş yaşayan önemli bir ekolojik grubu temsil eder ve bu da otlak biyoçeşitliliğinde dramatik bir kayıp olduğunu gösterir. Çiçekli bitkilerin büyük çoğunluğu, hem ılıman bölgelerde hem de tropik bölgelerde böcekler ve diğer hayvanlar tarafından tozlaştırılır. Böcek türlerinin çoğu, bitkilerin farklı kısımlarıyla beslenen otoburlardır ve bunların çoğu, ana besin kaynağı olarak bir veya birkaç bitki türüne dayanan uzmanlardır. Bununla birlikte, mevcut böcek türleri hakkındaki bilgi eksikliği ve çoğu türün hala tanımlanmadığı gerçeği göz önüne alındığında, dünyadaki bitki türlerinin çoğunluğu için barındırdıkları ve etkileşime girdikleri eklembacaklı toplulukları hakkında sınırlı bilgi olduğu açıktır.
Karasal eklembacaklı toplulukları, geleneksel olarak, Malaise tuzakları ve tuzak tuzakları gibi çok etkili ancak biraz hantal ve potansiyel olarak istilacı yöntemler olan yöntemler kullanılarak toplanmış ve incelenmiştir . Bazı durumlarda, bu teknikler, örneğin fenotipik plastisite , yakından ilişkili türler ve gençlik evrelerini belirlemedeki zorluklar nedeniyle verimli ve standartlaştırılmış araştırmalar yapmakta yetersiz kalmaktadır . Ayrıca, morfolojik tanımlama , düşüşte olan taksonomik uzmanlığa doğrudan bağlıdır . Geleneksel biyoçeşitlilik izlemenin tüm bu sınırlamaları, alternatif yaklaşımlar için bir talep yaratmıştır. Bu arada, DNA dizileme teknolojilerindeki ilerleme, sürekli olarak biyolojik veri elde etmek için yeni yollar sağlar. Bu nedenle, eklembacaklı toplulukları ve etkileşimleri hakkında istilacı olmayan genetik teknikler yoluyla hızlı ve verimli veriler elde etmek için son zamanlarda birkaç yeni moleküler yaklaşım önerilmiştir. Bu, toplu numuneler veya böcek çorbaları, boş yaprak mayınları, örümcek ağları, sürahi bitki sıvısı, toprak ve su gibi çevresel numuneler (çevresel DNA [eDNA]), konukçu bitki ve böcek DNA ekstraktlarından yırtıcı diyet tanımlaması gibi kaynaklardan DNA çıkarmayı içerir, ve yarasalardan gelen yırtıcı hayvan dışkısı. Son zamanlarda, böceklere eklenen polenden DNA da bitki-tozlayıcı etkileşimleri hakkında bilgi almak için kullanılmıştır . Bu tür son çalışmaların çoğu, jenerik primerler kullanılarak PCR amplikonlarının yüksek verimli dizilimi olan DNA metabarkodlamasına dayanmaktadır .
memeliler
_Lynx_trail.jpg)
Kar izleri
Karlı alanlardaki yaban hayatı araştırmacıları, ilgilenilen türler hakkında genetik bilgi toplamak ve çıkarmak için kar örneklerini de kullanır. Kar izi örneklerinden elde edilen DNA, kutup ayıları, kutup tilkisi, vaşak, wolverines ve balıkçılar gibi bulunması zor ve nadir türlerin varlığını doğrulamak için kullanıldı.
havadan gelen DNA
2021'de araştırmacılar, eDNA'nın havadan toplanabileceğini ve memelileri tanımlamak için kullanılabileceğini gösterdi.
Balıkçılık yönetimi
Ticari balıkçılığın başarılı yönetimi , balık stoklarının miktarını ve dağılımını tahmin etmek için standartlaştırılmış araştırmalara dayanır . Atlantik morina balığı (Gadus morhua), yetersiz sınırlı verilerin ve bilgisiz karar vermenin ne kadar felaket stok düşüşüne ve bunun sonucunda ekonomik ve sosyal sorunlara yol açabileceğini gösteren ikonik bir örnektir . Demersal balık türlerinin geleneksel stok değerlendirmeleri, öncelikle karar vericilere değerli bir bilgi akışı sağlayan trol araştırmalarına dayanmaktadır . Ancak, maliyet, donanım seçiciliği/yakalanabilirlik, habitat tahribatı ve sınırlı kapsama alanı (örn. sert alt tabakalı ortamlar, deniz koruma alanları) dahil olmak üzere dip trol araştırmalarının bazı dikkate değer dezavantajları vardır.
Çevresel DNA (eDNA), ekosistem dinamiklerini incelemek için potansiyel olarak güçlü bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Makro organizmalardan genetik materyalin sürekli kaybı ve dökülmesi, çevresel örneklerde, spesifik hedef türlerin varlığını belirlemek veya biyoçeşitliliği karakterize etmek için analiz edilebilen moleküler bir ayak izi verir. Yeni nesil dizileme ve eDNA örneklemesi kombinasyonu, balık faunasının çeşitliliğindeki uzaysal ve zamansal kalıpları belgelemek için su sistemlerinde başarıyla uygulanmıştır. Balıkçılık yönetimi için eDNA'nın faydasını daha da geliştirmek için, eDNA miktarlarının okyanustaki balık biyokütlesini yansıtma yeteneğini anlamak önemli bir sonraki adımdır.
eDNA miktarları ile balık biyokütlesi ve bolluğu arasındaki pozitif ilişkiler deneysel sistemlerde gösterilmiştir. Ancak, eDNA üretimi ve bozunma oranları arasındaki bilinen varyasyonların, doğal sistemlerde bu ilişkileri karmaşık hale getirmesi beklenmektedir. Ayrıca, okyanus sistemlerinde, büyük habitat hacimleri ve güçlü akıntılar, DNA parçalarının hedef organizmalardan uzağa fiziksel olarak dağılmasıyla sonuçlanabilir. Bu kafa karıştırıcı faktörlerin daha önce okyanus ortamlarında nicel eDNA izleme uygulamasını kısıtladığı düşünülmüştü.
Bu potansiyel kısıtlamalara rağmen, deniz ortamlarında yapılan çok sayıda çalışma, eDNA miktarları ile radyo etiketleme, görsel araştırmalar, eko-sondaj ve trol araştırmaları dahil olmak üzere ücretsiz araştırma çabaları arasında olumlu ilişkiler bulmuştur. Ancak, deniz ortamlarında standartlaştırılmış trol araştırmaları ile ticari balık türlerinin hedeflenen eDNA konsantrasyonlarını ölçen çalışmalar çok daha azdır. Bu bağlamda, eDNA konsantrasyonlarının biyokütle ve birim çaba başına yakalama (CPUE) gibi stok değerlendirme ölçütleri ile doğrudan karşılaştırılması, balıkçılık yönetimi çabalarına katkıda bulunmak için eDNA izlemenin uygulanabilirliğini anlamak için gereklidir.
Derin deniz çökelleri
Yüzey derin deniz çökellerindeki hücre dışı DNA, dünya okyanuslarının açık ara en büyük DNA rezervuarıdır. Bu tür ekosistemlerdeki hücre dışı DNA'nın ana kaynakları, ölü bentik organizmalardan in situ DNA salımı ve/veya viral enfeksiyona bağlı hücre lizizi, canlı hücrelerden hücresel eksüdasyon ve atılım, virüs ayrışması ve canlı hücrelerden allokton girdiler dahil diğer süreçlerle temsil edilir. su sütunu. Önceki çalışmalar, hücre dışı DNA'nın önemli bir bölümünün çökeltilerde korunarak bozulma süreçlerinden kaçabileceğine dair kanıt sağladı. Bu DNA, potansiyel olarak, zaman içinde meydana gelen biyolojik süreçleri kaydeden bir genetik depoyu temsil eder.
Son araştırmalar, deniz tortullarında korunan DNA'nın, çok sayıda oldukça çeşitli gen dizileri ile karakterize edildiğini ortaya koydu. Özellikle hücre dışı DNA, düşük sıcaklıklar ve/veya kalıcı olarak anoksik koşullar ile karakterize edilen bentik ekosistemlerde geçmiş prokaryotik ve ökaryotik çeşitliliği yeniden yapılandırmak için kullanılmıştır.
Sağdaki diyagram , farklı kıta kenarlarının çökeltilerinden hücre dışı DNA havuzlarının OTU ( operasyonel taksonomik birim ) ağını göstermektedir. Ağ içindeki nokta boyutu, her OTU için dizilerin bolluğu ile orantılıdır. Kırmızı daire içine alınmış noktalar hücre dışı çekirdek OTU'larını temsil eder, sarı daire içine alınmış noktalar kısmen paylaşılır (iki veya daha fazla havuz arasında) OTU'ları, siyah daire içine alınmış noktalar her bir havuza özel OTU'lardır. En az 20 diziye katkıda bulunan çekirdek OTU'lar gösterilmiştir. Parantez içindeki sayılar, OTU'lar ve örnekler arasındaki bağlantı sayısını temsil eder: özel OTU'lar için 1, kısmen paylaşılan OTU'lar için 2-3 ve çekirdek OTU'lar için 4.
Önceki çalışmalar, DNA'nın korunmasının, yüksek organik madde girdileri ve kıta kenarları gibi sedimantasyon oranları ile karakterize edilen bentik sistemlerde de tercih edilebileceğini ileri sürdü. Yaklaşık temsil eden bu sistemler. Küresel deniz tabanının %15'i aynı zamanda bentik prokaryotik çeşitliliğin sıcak noktalarıdır ve bu nedenle hücre dışı DNA içinde korunan prokaryotik çeşitliliği araştırmak için en uygun yerleri temsil edebilirler.
Prokaryotik çeşitliliğin uzamsal dağılımı, "çevresel DNA" (yani, herhangi bir belirgin biyolojik kaynak materyal belirtisi olmadan doğrudan çevresel örneklerden elde edilen genetik materyal) analizi yoluyla bentik derin deniz ekosistemlerinde yoğun bir şekilde incelenmiştir. Bununla birlikte, hücre dışı DNA'da bulunan gen dizilerinin, günümüz prokaryotik topluluklarının çeşitliliğinin tahminlerini ne ölçüde değiştirebileceği bilinmemektedir.
Sedimanter antik DNA
|
-4500 -
-
-
-
-4000 -
-
-
-
-3500 —
-
-
-
-3000 -
-
-
-
-2500 —
-
-
-
-2000 -
-
-
-
-1500 —
-
-
-
-1000 -
-
-
-
-500 -
-
-
-
0 —
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
( milyon yıl önce )
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Çeşitli arşivlerde korunan antik DNA analizleri, türlerin ve ekosistemlerin evrimi anlayışını değiştirmiştir. Daha önceki çalışmalar, taksonomik olarak kısıtlanmış örneklerden (kemikler veya donmuş dokular gibi) elde edilen DNA üzerinde yoğunlaşmış olsa da, yüksek verimli dizileme ve biyoinformatikteki ilerlemeler, artık sedaDNA olarak adlandırılan tortul arşivlerden çıkarılan eski DNA'nın analizine izin veriyor. Kara ve göl çökellerine gömülü sedaDNA'nın biriktirilmesi ve korunması, aktif araştırma ve yorumlamaya konu olmuştur. Bununla birlikte, DNA'nın okyanus tabanında birikmesini ve deniz çökellerinde korunmasını incelemek , DNA'nın birkaç kilometre boyunca bir su sütunu boyunca seyahat etmesi gerektiğinden daha karmaşıktır . Karasal ortamdan farklı olarak, alt fosil biyokütlesinin karadan yaygın olarak taşınmasıyla, deniz sedaDNA'sının en büyük kısmı, deniz mikropları ve deniz protistlerinin hakim olduğu planktonik topluluktan türetilir . Yüzey planktonunun ölümünden sonra, DNA'sı su sütunu boyunca bir taşınmaya maruz kalır ve bu sırada ilgili organik maddenin çoğunun tüketildiği ve solunduğu bilinmektedir . Bu taşıma, testin boyutuna ve morfolojisine bağlı olarak 3 ila 12 gün arasında sürebilir. Bununla birlikte, daha sonra ortamda bulunan toplam DNA olarak tanımlanan planktonik eDNA'nın, bu taşımadan tam olarak nasıl kurtulduğu, bozunma veya taşımanın sıralama veya yanal adveksiyon ile ilişkili olup olmadığı ve son olarak, eDNA'nın deniz tabanına ulaşıp ulaşmadığı belirsizliğini koruyor. bileşiminde daha fazla bozulma olmadan deniz tortullarında korunur.
Su sütununda taşıma sırasında oksik koşullar altında bozunmaya uzun süre maruz kalmasına ve deniz tabanında önemli ölçüde daha düşük organik madde konsantrasyonuna sahip olmasına rağmen, planktonik eDNA'nın deniz tortullarında korunduğuna ve kullanılabilir ekolojik sinyal içerdiğine dair kanıtlar vardır. Daha önceki çalışmalar, olağandışı yüksek miktarda organik maddenin korunduğu, anoksi altında biriken deniz tortullarında sedaDNA'nın korunduğunu göstermiştir, ancak daha sonraki araştırmalar, sedaDNA'nın, kırıntılı veya biyojenik mineral fraksiyonlarının baskın olduğu normal deniz tortullarından da ekstrakte edilebileceğini göstermektedir . Ek olarak, derin deniz suyunun (0-4 °C) düşük sıcaklığı, sedaDNA'nın iyi bir şekilde korunmasını sağlar. Planktonik kullanma foraminifer , Morard vd Bu organizmaların birlikte görülen fosil testleriyle sedaDNA imzaların benchmarking sağlayan bir "Rosetta Stone" olarak. 2017 yılında, deniz tabanına ulaşan plankton eDNA'sının parmak izinin, bu organizmaların ekolojik imzasını geniş bir coğrafi ölçekte koruduğunu gösterdi. Bu, planktonik topluluk eDNA'sının agregalar, iskeletler ve diğer batan planktonik malzemelerle birlikte aşağıdaki deniz tabanında biriktiğini gösterir. Bu doğruysa, sedaDNA, plankton topluluklarının bileşimini etkileyen yüzey okyanus hidrografisinin imzalarını, planktonun iskelet kalıntılarıyla aynı uzamsal çözünürlükle kaydedebilmelidir . Ek olarak, plankton eDNA'sı agregalar veya kabuklarla birlikte deniz tabanına geliyorsa, mineral yüzeylere sabitlenerek su sütunu boyunca taşınmaya dayanması mümkündür. Aynı mekanizma, deniz tabanına gelen kalsit testinde kapsüllenen planktonik eDNA akışının, gömüldükten sonra korunmak üzere şartlandırıldığını ima ederek, sedimanlarda sedaDNA'nın korunmasını açıklamak için önerilmiştir .
Planktonik foraminifer sedaDNA, hem geçmiş yüzey okyanus hidrografik özelliklerinin yeniden yapılandırılmasının uzamsal çözünürlüğünü değerlendirmek için "yatay olarak" hem de tortu sütunu boyunca sinyalinin gömülmesini açık bir şekilde izlemek için "dikey olarak" ideal bir vekildir. Gerçekten de, planktonik foraminifer eDNA'sının akışı, deniz tabanına batan ölü foraminifer kabuklarının akışıyla orantılı olmalı ve eDNA sinyalinin bağımsız kıyaslamasına izin vermelidir. eDNA, ekosistemi incelemek için güçlü bir araçtır, çünkü doğrudan taksonomik bilgi gerektirmez, böylece bir örnekte bulunan her organizma hakkında, kriptik düzeyde bile bilgi toplanmasına izin verir . Bununla birlikte, eDNA dizilerinin bilinen organizmalara atanması, halka açık depolarda veya küratörlü veri tabanlarında sunulan referans diziler (veya barkodlar ) ile karşılaştırma yoluyla yapılır . Planktonik foraminiferlerin taksonomisi iyi anlaşılmıştır [1] </ref> ve foraminifer test morfolojisine dayalı taksonomide eDNA amplikonlarının neredeyse tam haritalanmasını sağlayan barkodlar mevcuttur. Daha da önemlisi, planktonik foraminifer topluluklarının bileşimi, yüzey hidrografisi ile yakından bağlantılıdır ve bu sinyal, deniz tabanında biriken fosil testleri ile korunur. Okyanus tortusunda biriken foraminifer eDNA'sı geri kazanılabildiğinden, zaman içinde planktonik ve bentik topluluklardaki değişiklikleri analiz etmek için kullanılabilir.
Katılımcı araştırma ve vatandaş bilimi
eDNA örneklemesinin göreceli basitliği, DNA örneklerinin toplanması ve analiz edilmesi de dahil olmak üzere, yerel toplulukları araştırma projelerinin bir parçası haline getirmeyi amaçlayan projelere uygundur. Bu, yerel toplulukları (Yerli halklar dahil) bir ortamdaki türlerin izlenmesine aktif olarak katılmaları için güçlendirebilir ve katılımcı eylem araştırması modelinin bir parçası olarak bilinçli kararlar alınmasına yardımcı olabilir. Böyle bir projenin bir örneği, Science for All adlı yardım kuruluşu tarafından 'Wild DNA' projesi ile gösterilmiştir.
Ayrıca bakınız
Referanslar
Diğer referanslar
- Schallenberg, Lena; Wood, Susie A.; Pochon, Xavier; Pearman, John K. (2020). "Çevredeki DNA Bir Ekosistem Hakkında Bize Ne Anlatabilir?" . Genç Akıllar için Sınırlar . 7 . doi : 10.3389/frym.2019.00150 . S2CID 210714520 .