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)，技術人員和充足的時間。使用所謂的環(huán)境DNA的新興技術可以解決其中的一些限制，提供一種快速，經(jīng)濟的方法來確定水面下的物質(zhì)。

魚和其他動物以細胞，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DNA來檢測常駐動物。

研究人員隨后找了水產(chǎn)品的eDNA在多個淡水系統(tǒng)，以及最近在規(guī)模更大和更復雜的海洋環(huán)境。雖然水生eDNA的原理已經(jīng)確立，但我們才剛剛開始探索其在特定海洋環(huán)境中探測魚類及其豐富程度的潛力。該技術承諾許多實際和科學應用，包括幫助設定可持續(xù)魚類配額和評估對瀕危物種的保護，以及評估海上風電場的影響。

誰在哈德遜，什么時候?

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

我們的研究是通過對水樣進行DNA測試，首次記錄海洋魚類的春季遷移。我們在2016年1月至7月期間每周在兩個城市地點收集一升(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。冬季樣品很少或沒有魚類eDNA。從4月份開始，檢測到的魚類數(shù)量穩(wěn)步增加，初夏時每個樣本約10至15種。eDNA的發(fā)現(xiàn)很大程度上與我們現(xiàn)有的魚類運動知識相匹配，這是幾十年來傳統(tǒng)的圍網(wǎng)調(diào)查所取得的成功。

我們的研究結果證明了水中eDNA的“金發(fā)姑娘”質(zhì)量 - 似乎只需要適量的時間。如果它消失得太快，我們將無法檢測到它。如果持續(xù)時間過長，我們就不會發(fā)現(xiàn)季節(jié)性差異，可能會發(fā)現(xiàn)許多淡水和開放海洋物種的DNA以及當?shù)睾涌隰~類的DNA。研究表明，DNA會在數(shù)小時到數(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?shù)睾Ｑ篝~類相匹配，包括大部分(80%)當?shù)刎S富或常見的物種。此外，在我們檢測到的物種中，觀察到的豐富或常見物種比當?shù)夭怀Ｒ姷奈锓N更常見。根據(jù)豐富程度檢測到的物種eDNA與當?shù)爻Ｒ婔~類的傳統(tǒng)觀察相匹配，這對該方法來說是個好消息 - 它支持eDNA作為魚類數(shù)量的指標。我們期望我們最終能夠通過收集更大的體積，在河口和不同深度的其他地點探測所有當?shù)匚锓N。

除了當?shù)氐暮Ｑ笪锓N外，我們還在少數(shù)樣本中發(fā)現(xiàn)了當?shù)叵∮谢蛉狈Φ奈锓N。大多數(shù)是我們吃的魚 - 尼羅羅非魚，大西洋鮭魚，歐洲鱸魚(“branzino”)。我們推測這些來自廢水 - 即使哈德森更清潔，污水污染仍然存在。如果這就是DNA在這種情況下進入河口的方式，那么可以通過測試其廢水來確定一個社區(qū)是否正在消耗受保護的物種。我們發(fā)現(xiàn)剩下的外來物種是淡水物種，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實驗室中的方法和設備標準，并遵循用于分析人類微生物組的相同程序。

收集后，我們通過一個小孔徑(0.45微米)過濾器運行水樣，該過濾器捕獲懸浮物質(zhì)，包括細胞和細胞碎片。我們從過濾器中提取DNA，并使用聚合酶鏈式反應(PCR)進行擴增。PCR就像“復制”特定的DNA序列，產(chǎn)生足夠的拷貝以便于分析。

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

我們標記了每個擴增的樣本，合并樣本并將它們發(fā)送給下一代測序。洛克菲勒大學的科學家和共同作者Zachary Charlop-Powers創(chuàng)建了生物信息管道，評估序列質(zhì)量并生成每個樣本中唯一序列和“讀取數(shù)字”的列表。這是我們檢測到每個獨特序列的次數(shù)。

為了識別物種，將每個獨特序列與公共數(shù)據(jù)庫GenBank中的序列進行比較。我們的結果與讀數(shù)與魚數(shù)成正比是一致的，但是對于eDNA和魚豐度的精確關系還需要做更多的工作。例如，一些魚可能比其他魚脫落更多的DNA。魚類死亡率，水溫，蛋和幼魚與成年形態(tài)的影響也可以發(fā)揮作用。

就像電視犯罪節(jié)目一樣，eDNA識別依賴于全面而準確的數(shù)據(jù)庫。在一項試點研究中，我們確定了GenBank數(shù)據(jù)庫中缺失的當?shù)匚锓N，或者序列不完整或不匹配。為了改進鑒定，我們對蒙茅斯大學，誘餌商店和魚市場的科學收藏品中的18個樣本進行了測序。這項工作主要由學生研究員和共同作者Lyubov Soboleva完成，她是紐約John Bowne高中的一名大四學生。我們將這些新序列存放在GenBank中，將數(shù)據(jù)庫的覆蓋范圍擴大到我們當?shù)匚锓N的約80%。

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

未來的研究可能會使用自動駕駛汽車定期對遠程和深部地點進行采樣，幫助我們更好地了解和管理海洋生物的多樣性。