ДНК окружающей среды

Анализ ДНК окружающей среды является мощным инструментом для обнаружения водных животных. Многочисленные исследования показали высокую эффективность методов анализа ДНК для обнаружения видов, которые трудно идентифицировать с помощью традиционных подходов. Другие исследования продемонстрировали высокую полезность такого анализа для изучения видовых сообществ и численности видов.

Здесь мы кратко опишем преимущества этого метода на примере изучения биоразнообразия экосистемы озера Байкал. Традиционные методы мониторинга биоразнообразия имеют здесь ряд ограничений из-за большой глубины озера и большого количества редких эндемичных видов, которые занимают ограниченные места обитания - часто в глубоководной зоне.

Использование анализа ДНК окружающей среды позволит преодолеть это ограничение. Это может коренным образом изменить понимание и оценку биоразнообразия озера Байкал и решить другие научные и экологические проблемы в регионе.

Для чего проводится анализ

Разработка систем для оценки и контроля состояния биологической сложности дикой природы является важным вопросом сохранения разнообразия живых организмов. Внимание к этой проблеме растёт в связи с усилением антропогенного воздействия на окружающую среду. С ростом промышленного и сельскохозяйственного производства, а также добычи полезных ископаемых человек все чаще деструктивно вмешивается в природные экосистемы.

В результате меняется климат планеты, разрушаются места обитания, растёт число исчезающих и инвазивных видов. Темпы вымирания видов сегодня могут в 1000 и более раз превышать естественные. Для оценки и прогнозирования динамики этих процессов требуются эффективные системы оценки биоразнообразия. Разработка таких систем является наиболее актуальной задачей в отношении редких и находящихся под угрозой исчезновения видов, эндемичных видов, а также групп видов, которые могут служить индикаторами состояния экосистемы.

Одним из наиболее эффективных подходов, используемых для этих целей, является анализ ДНК окружающей среды. Попав во внешнюю среду, ДНК любого организма постепенно разлагается, оставаясь в состоянии, пригодном для анализа, от нескольких часов до сотен тысяч лет - в зависимости от условий окружающей среды.

Впервые анализ ДНК был использован для изучения вымерших видов животных и растений в древних отложениях. С тех пор это направление исследований динамично развивается: методы совершенствуются, а круг задач расширяется. В основном это связано с разработкой новых методов крупномасштабного секвенирования ДНК и количественной ПЦР. В настоящее время метод анализа ДНК используется для идентификации наземных и почвенных организмов, но этот подход оказался наиболее эффективным для решения задач анализа биоразнообразия водных объектов.

Многочисленные исследования показали высокую эффективность анализа ДНК окружающей среды для обнаружения видов, которые трудно идентифицировать с использованием традиционных подходов, для неинвазивной регистрации видов, находящихся под угрозой исчезновения, а также для идентификации инвазивных видов. По сравнению с традиционными подходами к исследованию биоразнообразия, анализ имеет ряд преимуществ и недостатков.

Первым и наиболее важным преимуществом метода является высокая чувствительность. ДНК, выделенной из небольшого количества субстрата, достаточно для обнаружения вида, учитывая его низкую плотность. Следовательно, этот метод является более экономичным по сравнению с традиционными подходами.

Ряд экспериментов, а также исследований в лабораториях и естественных условиях показали положительную взаимосвязь между плотностью популяции вида и количеством ДНК. Однако с помощью анализа ДНК по-прежнему невозможно оценить биомассу и численность популяции, а также такие характеристики, как соотношение групп по полу и возрасту, их морфологические, поведенческие и другие особенности.

Анализ ДНК окружающей среды на озере Байкал

Озеро Байкал занимает особое место среди проблем оценки и сохранения разнообразия живых организмов. Эндемичные виды животных и растений озера глубоко адаптированы к условиям этого холодноводного олиготрофного водоёма и, следовательно, могут быть чрезвычайно чувствительны даже к незначительным изменениям в экосистеме. Считается, что фактическое количество видов, обитающих в озере, намного больше, чем известно сегодня.

Трудности в изучении биоразнообразия озера Байкал связаны с большой глубиной озера, а также с тем фактом, что многие эндемичные виды редки и занимают ограниченные места обитания, часто в глубоководной зоне.

Какие сложные биологические проблемы на озере Байкал могут быть решены с помощью анализа ДНК окружающей среды? Анализ значительно расширит, ускорит и упростит качественную оценку биоразнообразия Байкала. Техническая реализация исследований в этой области называется “метабаркодированием” - двухтехнологическим подходом, который заключается в таксономической идентификации организмов с использованием анализа ДНК и высокопроизводительного параллельного секвенирования.

Для реализации этого подхода требуется готовая база данных, в которой последовательности ДНК конкретных генов привязаны к конкретным видам. Действительно, метабаркодирование применимо к известным байкальским видам, для которых были определены такие последовательности ДНК. Спектр задач, которые могут быть решены с помощью этого подхода, довольно широк: от исследования сообществ животных и растений до мониторинга распределения отдельных таксономических групп как во времени, так и в пространстве. В этом отношении исследования видов из глубоководной зоны озера особенно актуальны. До недавнего времени считалось, что изучение разнообразия с помощью анализа ДНК окружающей среды значительно расширит, ускорит и упростит качественную оценку биоразнообразия Байкала.

Техническая реализация исследований в этой области называется “метабаркодированием” - двухтехнологическим подходом, который заключается в таксономической идентификации организмов с использованием анализа ДНК и высокопроизводительного параллельного секвенирования. Для реализации этого подхода требуется готовая база данных, в которой последовательности ДНК конкретных генов привязаны к конкретным видам. Действительно, метабарное кодирование применимо к известным байкальским видам, для которых были определены такие последовательности ДНК.

Спектр задач, которые могут быть решены с помощью этого подхода, довольно широк: от исследования сообществ животных и растений до мониторинга распределения отдельных таксономических групп как во времени, так и в пространстве. В этом отношении изучение видов, обитающих в глубоководной зоне озера, особенно актуально. До недавнего времени изучение разнообразия глубоководных донных организмов в Байкале проводилось с использованием глубоководного траления на относительно горизонтальных платформах.

Сбор гидробионтов в зонах с глубоководными склонами проводился более или менее фрагментарно. Использование анализа ДНК окружающей среды позволит охватить исследованиями все озеро, несмотря на рельеф и глубину. Что касается видов, которые ещё не были описаны, то в перспективе метабаркодирование позволит нам составить карту неизвестных генетических групп байкальских организмов, тем самым приблизив нас к оценке масштаба наших знаний о биоразнообразии Байкала.

Используя анализ ДНК, мы сможем изучать и регулярно отслеживать сезонную миграцию и нерестовое поведение этих видов. Редкие виды Байкала, находящиеся под угрозой исчезновения, такие как байкальский осётр, арктический голец и другие , также требуют постоянного мониторинга. Мониторинг распространения инвазивных видов - ещё одно очень важное направление в исследованиях экосистемы озера.

В связи с этим наибольшую опасность представляет распространение амурского спящего в озере. Использование анализа ДНК окружающей среды может стать единственным эффективным инструментом для оценки численности некоторых байкальских гидробионтов — потенциальных индикаторов состояния экосистемы озера. Одним из таких показателей может быть байкальская нефть.

Изучение голомянки

Два вида байкальской голомянки - большая и малая - являются доминирующими по биомассе среди байкальских рыб. Они распространены в пелагической зоне озера и встречаются на всех глубинах. Кроме того, эти виды глубоко адаптированы к этому холодноводному олиготрофному водоёму и, следовательно, могут быть очень чувствительны даже к незначительным изменениям.

На сегодняшний день не существует дешёвых и простых способов мониторинга биомассы этих видов. Поскольку нефтяные рыбы не содержат пузырьков, гидроакустические методы не могут быть использованы для этой цели. В настоящее время невозможно оценить биомассу видов с помощью анализа ДНК окружающей среды, однако этот подход может быть единственным эффективным инструментом для оценки и мониторинга численности байкальской нефтяной рыбы.

Этот же подход может быть использован в качестве дополнительного инструмента для оценки численности байкальской промысловой рыбы, в частности байкальского омуля. Анализ ДНК окружающей среды является мощным и экономически эффективным методом исследования биологической сложности дикой природы.

Использование этого подхода может коренным образом изменить понимание и оценку биоразнообразия озера Байкал, а также решить другие научные и экологические проблемы в регионе.