Штрих-кодирование ДНК водных макробеспозвоночных
| Часть серии о |
| ДНК-штрихкодирование |
|---|
 |
| По таксонам |
| Другой |
Штрих-кодирование ДНК является альтернативным методом традиционной морфологической таксономической классификации и часто используется для идентификации видов водных макробеспозвоночных (обычно считающихся достаточно крупными, чтобы их можно было увидеть без увеличения). Многие из них являются важнейшими индикаторными организмами при биооценке пресноводных (например, Ephemeroptera , Plecoptera , Trichoptera ) и морских (например , кольчатые черви , иглокожие , моллюски ) экосистем.
С момента своего появления область штрих-кодирования ДНК превратилась в преодоление разрыва между традиционной таксономией и молекулярной систематикой. Этот метод позволяет предоставить более подробную таксономическую информацию, особенно о загадочных, мелких или редких видах. Штрих-кодирование ДНК предполагает специфическое воздействие на области генов, которые обнаружены и сохранены у большинства видов животных, но имеют большие различия между представителями разных видов. Точный диагноз зависит от низкой внутривидовой изменчивости по сравнению с межвидовой изменчивостью. Короткая последовательность ДНК, такая как ген цитохром-субъединицы оксидазы I (COI), позволит точно отнести особь к таксону .
Методология
[ редактировать ]Хотя о концепции использования дивергенции последовательностей ДНК для распознавания видов сообщалось ранее, Hebert et al. (2003) были пионерами, предложившими стандартизацию штрих-кодирования ДНК как метода молекулярного различения видов. [ 1 ]
Сбор образцов для штрих-кодирования ДНК не отличается от традиционных методов, за исключением того, что образцы необходимо консервировать в этаноле высокой концентрации (>70%). [ 2 ] Показано, что типичный протокол хранения проб бентоса в формалине отрицательно влияет на целостность ДНК. [ 3 ]
Ключевой концепцией штрих-кодирования макробеспозвоночных является правильный выбор маркеров ДНК (область штрих-кода ДНК) для амплификации соответствующих участков гена с использованием методов ПЦР . Область штрих-кода ДНК должна быть идеально консервативной внутри вида, но варьироваться у разных (даже близкородственных) видов, и, следовательно, ее последовательность должна служить видоспецифичной генетической меткой. Поэтому выбор маркера играет важную роль. [ 4 ] Ген цитохром-субъединицы оксидазы I (COI) является одним из наиболее широко используемых маркеров при штрих-кодировании макробеспозвоночных. Другими маркерами, которые можно использовать, являются гены рибосомальной РНК 16S и 18S .
Кроме того, сортировка беспозвоночных по разным размерным категориям полезна, поскольку особи в выборке могут сильно различаться по биомассе в зависимости от вида и стадии жизни. [ 5 ]
Более подробную информацию о методах см. в разделе «Штрих-кодирование ДНК» .
Метабаркодирование ДНК
[ редактировать ]Из-за значительного количества таксонов, составляющих сообщества водных макробеспозвоночных, метод метабаркодирования ДНК обычно используется для оценки отдельных таксонов в объемных пробах или пробах воды. Метабаркодирование ДНК — это метод, состоящий из того же рабочего процесса, что и штрих-кодирование ДНК , отличающийся использованием технологий высокопроизводительного секвенирования (HTS) . Потенциал метабаркодирования ДНК в оценке и мониторинге различных таксономических групп был успешно продемонстрирован в нескольких исследованиях. [ 6 ] [ 7 ] Многочисленные исследователи использовали методы метабаркодирования для классификации донных макробеспозвоночных по образцам тканей. [ 8 ] что указывает на его осуществимость и более высокую чувствительность по сравнению с классическими методами таксономии. Другие подтверждают использование технологий секвенирования нового поколения (NGS) в пробах окружающей среды для оценки качества воды в морских экосистемах. [ 9 ] и в исследованиях пресноводного биоразнообразия, [ 10 ] включая оценку видов макробеспозвоночных. Применение этих технологий в пробах окружающей среды постоянно расширяется. [ 11 ] Большинство недавних исследований основаны на продвижении eDNA , проверке на местах, выборе платформы и штрих-кода или ограничениях базы данных. внедрения подходов [ 12 ]
Применение и проблемы
[ редактировать ]Методы (мета)штрихкодирования макробеспозвоночных часто используются в:
- Оценка биоразнообразия. Из-за большого количества видов макробеспозвоночных обработка проб (сортировка и идентификация) является трудоемкой и зачастую сложной задачей, которая может привести к ошибкам при оценке. [ 13 ]
- экологического мониторинга Программы . Макробеспозвоночные в одной системе могут находиться в ней от нескольких месяцев до нескольких лет, в зависимости от продолжительности жизни каждого организма. Следовательно, сообщества макробеспозвоночных обитают в водных экосистемах достаточно долго, чтобы отражать хроническое воздействие загрязнителей, и в то же время достаточно недолго, чтобы реагировать на относительно резкие изменения качества воды. Из-за ограниченной подвижности макробеспозвоночных и их относительной неспособности уйти от неблагоприятных условий местонахождение хронических источников загрязнения часто можно определить путем сравнения сообществ этих организмов.
- Обнаружение чужеродных видов . Применение методов эДНК и (мета) штрих-кодирования постоянно расширяется в исследованиях инвазионных процессов. [ 14 ]
- Идентификация видов. Идентификация уровня «вида» требует высокого уровня таксономических знаний. Различные стадии развития макробеспозвоночных зачастую трудно морфологически идентифицировать даже специалистам , особенно из-за отсутствия соответствующих определений для водных макробеспозвоночных. [ 15 ] . Например, для некоторых таксонов водных беспозвоночных таксономическая идентификация возможна только для самцов и некоторых поздних возрастов, но сочетание штрих-кодирования с традиционной таксономией обеспечивает надежную основу для биологической идентификации. [ 16 ] Часто виды невозможно идентифицировать, поскольку они морфологически загадочны, похожи или представляют менее известные группы. [ 17 ] Было высказано предположение, что комбинированный анализ морфологических и молекулярных данных может обеспечить лучшее решение так называемой «интегративной таксономии». [ 18 ] В ряде исследований использовались подходы к штрих-кодированию или метабаркодированию для различных групп, например, стрекоз, в частности стрекоз (Anisoptera) и стрекоз (Zygoptera), с рекомендацией использовать комбинацию маркеров. [ 19 ]
- Стрессовая реакция. Отдельные виды пресноводных беспозвоночных, часто объединяемые на более высокий таксономический уровень для целей биомониторинга, могут существенно различаться по своей толерантности к стрессорам и реагировать более сложными способами, чем это наблюдается на уровне рода. [ 20 ] Идентификация, основанная на штрих-кодировании ДНК, может улучшить обнаружение небольших изменений в условиях водотока. Недавние результаты показали, что штрих-кодирование ДНК может повысить таксономическое разрешение и, таким образом, повысить чувствительность показателей биооценки. [ 21 ]
Существует также множество проблем , когда дело доходит до генетического штрих-кодирования водных макробеспозвоночных:
- Справочные библиотеки . Наличие справочных библиотек штрих-кодов ДНК очень важно для идентификации видов. [ 22 ]
- Отсутствующие виды в базах данных. Информация о существующих видах обычно неполна или не коррелирует с экологическими параметрами, такими как глубина, метод отбора проб, соленость и т. д.
- Проверка качества данных . Записи баз данных часто не контролируются.
- Устаревшая таксономия . Виды в базах данных иногда могут быть названы с использованием устаревшей таксономии (например, синонимов).
- Количественное измерение видового разнообразия (оценка биомассы и численности видов).
- Недостаток информации ДНК . Виды в более ранней литературе идентифицируются только по таксономическим признакам, для подтверждения которых не существует образцов ДНК.
- технические проблемы Необходимо учитывать , такие как необходимость применения разных протоколов при работе с разными организмами, выбор подходящих маркеров штрих-кодирования ДНК, дизайн праймеров (идентификация консервативных областей, подходящих в качестве сайтов связывания праймеров, оценка таксономического покрытия и способность амплифицированных регионов разделять таксоны на уровне семейства и др.).
- Затраты, связанные с секвенированием.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хеберт, Пол Д.Н.; Цывинская, Алина; Болл, Шелли Л.; деВаард, Джереми Р. (7 февраля 2003 г.). «Биологическая идентификация посредством штрих-кодов ДНК» . Труды Лондонского королевского общества. Серия Б: Биологические науки . 270 (1512): 313–321. дои : 10.1098/рспб.2002.2218 . ISSN 1471-2954 . ПМЦ 1691236 . ПМИД 12614582 .
- ^ Штейн, Эрик Д.; Уайт, Брайан П.; Мазор, Рафаэль Д.; Миллер, Питер Э.; Пилигрим, Эрик М. (2013). «Оценка сохранения образцов на основе этанола для облегчения использования штрих-кодирования ДНК в рутинных программах биомониторинга пресной воды с использованием донных макробеспозвоночных» . ПЛОС ОДИН . 8 (1): e51273. Бибкод : 2013PLoSO...851273S . дои : 10.1371/journal.pone.0051273 . ПМЦ 3537618 . ПМИД 23308097 .
- ^ Бэрд, Дональд Дж.; Паско, Тимоти Дж.; Чжоу, Синь; Хаджибабаи, Мехрдад (март 2011 г.). «Создание библиотек ДНК-штрих-кодов пресноводных макробеспозвоночных из справочного материала: консервация в формалине и возраст образца». Журнал Североамериканского бентологического общества . 30 (1): 125–130. дои : 10.1899/10-013.1 . ISSN 0887-3593 . S2CID 3940136 .
- ^ Андухар, Кармело; Аррибас, Паула; Грей, Клэр; Брюс, Кэтрин; Вудворд, Гай; Ю, Дуглас В.; Фоглер, Альфрид П. (январь 2018 г.). «Метабаркодирование пресноводных беспозвоночных для обнаружения последствий разлива пестицидов». Молекулярная экология . 27 (1): 146–166. Бибкод : 2018MolEc..27..146A . дои : 10.1111/mec.14410 . hdl : 10044/1/58144 . ПМИД 29113023 . S2CID 7697860 .
- ^ Эльбрехт, Васко; Пейнерт, Бьянка; Лиз, Флориан (сентябрь 2017 г.). «Разбираемся во всем: оценка влияния неравной биомассы образцов на метабаркодирование ДНК» . Экология и эволюция . 7 (17): 6918–6926. Бибкод : 2017EcoEv...7.6918E . дои : 10.1002/ece3.3192 . ПМЦ 5587478 . ПМИД 28904771 .
- ^ Лейзерович, Франк; Эслинг, Филипп; Пилле, Лоик; Уайлдинг, Томас А.; Блэк, Кеннет Д.; Павловский, Ян (ноябрь 2015 г.). «Высокопроизводительное секвенирование и морфология одинаково хорошо подходят для бентосного мониторинга морских экосистем» . Научные отчеты . 5 (1): 13932. Бибкод : 2015NatSR...513932L . дои : 10.1038/srep13932 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4564730 . ПМИД 26355099 .
- ^ Эльбрехт, Васко; Вамос, Екатерина Эдит; Мейснер, Кристиан; Аровиита, Юкка; Лиз, Флориан (октябрь 2017 г.). Ю, Дуглас (ред.). «Оценка сильных и слабых сторон идентификации макробеспозвоночных на основе метабаркодирования ДНК для рутинного мониторинга потоков» . Методы экологии и эволюции . 8 (10): 1265–1275. дои : 10.1111/2041-210X.12789 .
- ^ Кэрью, Мелисса Э; Петтигроув, Винсент Дж; Метцелинг, Леон; Хоффманн, Ари А. (2013). «Экологический мониторинг с использованием секвенирования нового поколения: быстрая идентификация видов-биоиндикаторов макробеспозвоночных» . Границы в зоологии . 10 (1): 45. дои : 10.1186/1742-9994-10-45 . ISSN 1742-9994 . ПМЦ 3750358 . ПМИД 23919569 .
- ^ Лейзерович, Франк; Эслинг, Филипп; Пилле, Лоик; Уайлдинг, Томас А.; Блэк, Кеннет Д.; Павловский, Ян (ноябрь 2015 г.). «Высокопроизводительное секвенирование и морфология одинаково хорошо подходят для бентосного мониторинга морских экосистем» . Научные отчеты . 5 (1): 13932. Бибкод : 2015NatSR...513932L . дои : 10.1038/srep13932 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4564730 . ПМИД 26355099 .
- ^ Дайнер, Кристи; Фронхофер, Эмануэль А.; Мехлер, Эльвира; Вальзер, Жан-Клод; Альтерматт, Флориан (декабрь 2016 г.). «ДНК окружающей среды показывает, что реки являются конвейерами информации о биоразнообразии» . Природные коммуникации . 7 (1): 12544. Бибкод : 2016NatCo...712544D . дои : 10.1038/ncomms12544 . ISSN 2041-1723 . ПМК 5013555 . ПМИД 27572523 .
- ^ Зайко, Анастасия; Мартинес, Джозеф Л.; Твердость, Рассвет; Клуза, Лаура; Боррелл, Яисель Дж.; Сэмюэл, Аурелия; Рок, Августин; Гарсиа-Васкес, Ева (декабрь 2015 г.). «Обнаружение вредных видов с помощью NGST: недостатки методологии и возможное применение при мониторинге балластных вод» (PDF ) Морские экологические исследования . 112 (Часть Б): 64–72. Бибкод : 2015Март.112...64Z . doi : 10.1016/j.marines.2015.07.002 . ПМИД 26174116 . S2CID 9579967 .
- ^ Фернандес, Сара; Родригес, Сауль; Мартинес, Хосе Л.; Боррелл, Яисель Дж.; Ардура, Альба; Гарсиа-Васкес, Ева (8 августа 2018 г.). Мельхер, Ульрих (ред.). «Оценка пресноводных макробеспозвоночных с помощью метабаркодирования эДНК: тематическое исследование реки Налон» . ПЛОС ОДИН . 13 (8): e0201741. Бибкод : 2018PLoSO..1301741F . дои : 10.1371/journal.pone.0201741 . ISSN 1932-6203 . ПМК 6082553 . ПМИД 30089147 .
- ^ Хаазе, Питер; Паулс, Штеффен У.; Шиндехютте, Карин; Сундерманн, Андреа (декабрь 2010 г.). «Первая проверка образцов макробеспозвоночных в рамках программы мониторинга Водной рамочной директивы ЕС: человеческая ошибка значительно снижает точность результатов оценки». Журнал Североамериканского бентологического общества . 29 (4): 1279–1291. дои : 10.1899/09-183.1 . ISSN 0887-3593 . S2CID 86777562 .
- ^ «REABIC - Журналы - Отчеты о биоинвазиях - Выпуск 1 (2018)» . www.reabic.net . дои : 10.3391/бир.2018.7.1.08 . Проверено 19 апреля 2019 г.
- ^ Вентер, Гермиона Дж.; Отделение экологических наук и менеджмента, Северо-Западный университет, Почефструм, Южная Африка; Безуиденхаут, Корнелиус К.; Отделение экологических наук и менеджмента, Северо-Западный университет, Почефструм, Южная Африка (26 мая 2016 г.). «Идентификация водных беспозвоночных на основе ДНК полезна в контексте Южной Африки?» . Южноафриканский научный журнал . 112 (5/6): 4. дои : 10.17159/sajs.2016/20150444 . ISSN 0038-2353 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ ДеВолт, Р. Эдвард (1 марта 2011 г.). «Штрих-кодирование ДНК: таксономическая точка зрения». Журнал Североамериканского бентологического общества . 30 (1): 174–181. дои : 10.1899/10-021.1 . ISSN 0887-3593 . S2CID 84203382 .
- ^ Кэрью, Мелисса Э; Петтигроув, Винсент Дж; Метцелинг, Леон; Хоффманн, Ари А. (2013). «Экологический мониторинг с использованием секвенирования нового поколения: быстрая идентификация видов-биоиндикаторов макробеспозвоночных» . Границы в зоологии . 10 (1): 45. дои : 10.1186/1742-9994-10-45 . ISSN 1742-9994 . ПМЦ 3750358 . ПМИД 23919569 .
- ^ Телечеа, Фабрис (1 декабря 2010 г.). «После 7 лет и 1000 цитирований: Сравнительная оценка штрих-кодирования ДНК и предложений по таксономии ДНК для систематиков и нетаксономистов». Митохондриальная ДНК . 21 (6): 206–226. дои : 10.3109/19401736.2010.532212 . ISSN 1940-1736 . ПМИД 21171865 . S2CID 10486130 .
- ^ Рэйч, Джессика; Бергманн, Тьярд; Пакния, Омид; ДеСалле, Роб; Шируотер, Бернд; Хадрис, Хайке (13 апреля 2017 г.). Юэ, Би-Сон (ред.). «Выбор маркера: неожиданная разрешающая способность неисследованной области CO1 для подходов к многослойному штрих-кодированию ДНК» . ПЛОС ОДИН . 12 (4): e0174842. Бибкод : 2017PLoSO..1274842R . дои : 10.1371/journal.pone.0174842 . ISSN 1932-6203 . ПМЦ 5390999 . ПМИД 28406914 .
- ^ Махер, Ян Н.; Салис, Романа К.; Блейкмор, Кэти С.; Толлриан, Ральф; Маттеи, Кристоф Д.; Лиз, Флориан (февраль 2016 г.). «Множественные стрессовые воздействия на речных беспозвоночных: штрих-кодирование ДНК выявляет контрастирующие реакции загадочных видов поденок». Экологические показатели . 61 : 159–169. дои : 10.1016/j.ecolind.2015.08.024 .
- ^ Штейн, Эрик Д.; Уайт, Брайан П.; Мазор, Рафаэль Д.; Джексон, Джон К.; Баттл, Джулиан М.; Миллер, Питер Э.; Пилигрим, Эрик М.; Суини, Бернард В. (01 марта 2014 г.). «Улучшает ли штрих-кодирование ДНК эффективность традиционных показателей потоковой биооценки?» . Наука о пресной воде . 33 (1): 302–311. дои : 10.1086/674782 . ISSN 2161-9549 . S2CID 67753537 .
- ^ Уэбб, Джеффри М.; Якобус, Люк М.; Фанк, Дэвид Х.; Чжоу, Синь; Кондратьев, Борис; Джерачи, Кристи Дж.; ДеВолт, Р. Эдвард; Бэрд, Дональд Дж.; Ричард, Бартон (30 мая 2012 г.). Фентон, Брок (ред.). «Библиотека штрих-кодов ДНК североамериканских эфемероптеров: прогресс и перспективы» . ПЛОС ОДИН . 7 (5): e38063. Бибкод : 2012PLoSO...738063W . дои : 10.1371/journal.pone.0038063 . ISSN 1932-6203 . ПМК 3364165 . ПМИД 22666447 .