La vita oceanica è in gran parte nascosta alla vista. Monitorare ciò che vive dove è costoso - in genere richiede grandi barche, grandi reti, personale qualificato e un sacco di tempo. Una tecnologia emergente che utilizza il cosiddetto DNA ambientale aggira alcune di queste limitazioni, fornendo un modo rapido ed economico per capire cosa è presente sotto la superficie dell'acqua.
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Pesci e altri animali versano DNA nell'acqua, sotto forma di cellule, secrezioni o escrementi. Circa 10 anni fa, i ricercatori in Europa hanno dimostrato per la prima volta che piccoli volumi di acqua dello stagno contenevano abbastanza DNA fluttuante per rilevare animali residenti.
I ricercatori hanno successivamente cercato eDNA acquatico in più sistemi di acqua dolce e più recentemente in ambienti marini molto più grandi e complessi. Mentre il principio dell'eDNA acquatico è consolidato, stiamo appena iniziando a esplorare il suo potenziale per rilevare i pesci e la loro abbondanza in particolari ambienti marini. La tecnologia promette molte applicazioni pratiche e scientifiche, dall'aiutare a fissare quote di pesce sostenibili e valutare le protezioni per le specie in via di estinzione alla valutazione degli impatti dei parchi eolici offshore.
Chi c'è nell'Hudson, quando?
Nel nostro nuovo studio, i miei colleghi e io abbiamo testato quanto l'eDNA acquatico potesse rilevare i pesci nell'estuario del fiume Hudson che circonda New York City. Nonostante sia l'estuario più fortemente urbanizzato del Nord America, la qualità dell'acqua è migliorata notevolmente negli ultimi decenni e l'estuario ha parzialmente recuperato il suo ruolo di habitat essenziale per molte specie di pesci. Il miglioramento della salute delle acque locali è evidenziato dall'ormai regolare caduta di balene megattere che si nutrono di grandi scuole di menhaden atlantici ai confini del porto di New York, all'interno del sito dell'Empire State Building.
Prepararsi a scagliare il secchio di raccolta nel fiume. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Il nostro studio è la prima registrazione della migrazione primaverile dei pesci dell'oceano conducendo test del DNA su campioni d'acqua. Abbiamo raccolto campioni di acqua da un litro (circa un litro) settimanalmente in due siti di città da gennaio a luglio 2016. Poiché il litorale di Manhattan è blindato ed elevato, abbiamo gettato un secchio su una corda nell'acqua. I campioni invernali avevano eDNA di pesce scarso o nullo. A partire da aprile è stato rilevato un aumento costante dei pesci, con circa 10-15 specie per campione all'inizio dell'estate. I risultati di eDNA corrispondevano in larga misura alla nostra attuale conoscenza dei movimenti dei pesci, duramente conquistata da decenni di tradizionali sondaggi di sciabica.
I nostri risultati dimostrano la qualità di "riccioli d'oro" di eDNA acquatico - sembra durare il giusto periodo di tempo per essere utile. Se scomparisse troppo rapidamente, non saremmo in grado di rilevarlo. Se fosse durato troppo a lungo, non avremmo rilevato differenze stagionali e probabilmente avremmo trovato il DNA di molte specie di acqua dolce e di mare aperto, nonché quelle dei pesci dell'estuario locale. La ricerca suggerisce che il DNA decade per ore o giorni, a seconda della temperatura, delle correnti e così via.
Complessivamente, abbiamo ottenuto eDNA corrispondenti a 42 specie di pesci marini locali, inclusa la maggior parte (80 percento) delle specie localmente abbondanti o comuni. Inoltre, delle specie che abbiamo rilevato, le specie abbondanti o comuni sono state osservate più frequentemente di quelle localmente non comuni. Che la specie eDNA rilevata corrisponda alle osservazioni tradizionali dei pesci localmente comuni in termini di abbondanza è una buona notizia per il metodo: supporta l'eDNA come indice del numero di pesci. Ci aspettiamo che alla fine saremo in grado di rilevare tutte le specie locali - raccogliendo volumi maggiori, in siti aggiuntivi nell'estuario e a diverse profondità.
Pesce identificato tramite eDNA nel campione di un giorno dall'East River di New York City. (Dipartimento di conservazione ambientale dello Stato di New York: alewife (specie di aringhe), branzino a strisce, anguilla americana, mummichog; Dipartimento di pesci e selvaggina del Massachusetts: branzino, pesce azzurro, argenteo atlantico; New Jersey Scuba Diving Association: oyste) Oltre alle specie marine locali, in alcuni campioni abbiamo anche trovato specie rare o assenti localmente. La maggior parte erano pesci che mangiamo: tilapia del Nilo, salmone dell'Atlantico, branzino europeo ("branzino"). Supponiamo che provengano da acque reflue - anche se Hudson è più pulito, la contaminazione delle acque reflue persiste. Se è così che il DNA è entrato nell'estuario in questo caso, allora potrebbe essere possibile determinare se una comunità sta consumando specie protette testando le sue acque reflue. I rimanenti esotici che abbiamo trovato erano specie di acqua dolce, sorprendentemente poche, dati i grandi afflussi giornalieri di acqua dolce nell'estuario dell'acqua salata dallo spartiacque di Hudson.
Filtraggio dell'acqua dell'estuario nel laboratorio. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analizzare il DNA nudo
Il nostro protocollo utilizza metodi e attrezzature standard in un laboratorio di biologia molecolare e segue le stesse procedure utilizzate per analizzare i microbiomi umani, ad esempio.
Dopo la raccolta, analizziamo i campioni di acqua attraverso un filtro di piccole dimensioni dei pori (0, 45 micron) che intrappola il materiale sospeso, tra cui cellule e frammenti di cellule. Estraggiamo il DNA dal filtro e lo amplificiamo usando la reazione a catena della polimerasi (PCR). La PCR è come "xeroxing" una particolare sequenza di DNA, producendo abbastanza copie da poter essere facilmente analizzata.
Abbiamo preso di mira il DNA mitocondriale, il materiale genetico all'interno dei mitocondri, l'organello che genera l'energia della cellula. Il DNA mitocondriale è presente in concentrazioni molto più elevate rispetto al DNA nucleare e quindi più facile da rilevare. Ha anche regioni uguali in tutti i vertebrati, il che ci consente di amplificare più specie.
eDNA e altri detriti lasciati sul filtro dopo il passaggio dell'acqua dell'estuario. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Abbiamo taggato ogni campione amplificato, raggruppato i campioni e li abbiamo inviati per il sequenziamento di prossima generazione. Lo scienziato e co-autore della Rockefeller University Zachary Charlop-Powers ha creato la pipeline bioinformatica che valuta la qualità delle sequenze e genera un elenco delle sequenze uniche e dei "numeri di lettura" in ciascun campione. Ecco quante volte abbiamo rilevato ogni sequenza unica.
Per identificare le specie, ogni sequenza univoca viene confrontata con quelle del database pubblico GenBank. I nostri risultati sono coerenti con il numero letto essendo proporzionale al numero di pesci, ma è necessario lavorare di più sulla relazione precisa tra eDNA e abbondanza di pesci. Ad esempio, alcuni pesci possono rilasciare più DNA di altri. Anche gli effetti della mortalità dei pesci, della temperatura dell'acqua, delle uova e dei pesci larvali rispetto alle forme adulte potrebbero essere in gioco.
Proprio come negli spettacoli criminali televisivi, l'identificazione di eDNA si basa su un database completo e accurato. In uno studio pilota, abbiamo identificato le specie locali che mancavano dal database GenBank o avevano sequenze incomplete o non corrispondenti. Per migliorare le identificazioni, abbiamo sequenziato 31 esemplari che rappresentano 18 specie provenienti da raccolte scientifiche presso la Monmouth University e da negozi di esche e mercati ittici. Questo lavoro è stato in gran parte svolto dal ricercatore studente e co-autore Lyubov Soboleva, un anziano della John Bowne High School di New York City. Abbiamo depositato queste nuove sequenze in GenBank, aumentando la copertura del database a circa l'80% delle nostre specie locali.
I siti di raccolta dello studio a Manhattan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Ci siamo concentrati su pesci e altri vertebrati. Altri gruppi di ricerca hanno applicato un approccio eDNA acquatico agli invertebrati. In linea di principio, la tecnica potrebbe valutare la diversità di tutta la vita animale, vegetale e microbica in un particolare habitat. Oltre a rilevare gli animali acquatici, eDNA riflette gli animali terrestri nei bacini idrografici vicini. Nel nostro studio, l'animale selvatico più comune rilevato nelle acque di New York City era il ratto bruno, un comune abitante urbano.
Studi futuri potrebbero impiegare veicoli autonomi per campionare abitualmente siti remoti e profondi, aiutandoci a comprendere meglio e gestire la diversità della vita oceanica.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Mark Stoeckle, Senior Research Associate nel Programma per l'ambiente umano, The Rockefeller University
