Автор: Andrew M. Ramey, Ph.D.
Стаття від: 17 червня 2024 року
Автори проаналізували 61 статтю, присвячену застосуванню еДНК для лосося, що мешкає в природному середовищі існування та аквакультурних об’єктах, в контексті досягнень, можливостей та викликів. Метод, що використовує qPCR (кількісна полімеразна ланцюгова реакція) і меташтрихове кодування, може бути корисним інструментом для виявлення атлантичного і тихоокеанського лосося, а також загроз їхньому здоров’ю і середовищу існування, і з подальшим розвитком і вдосконаленням методи еДНК стануть все більш доступними для управлінців, які займаються питаннями регулювання рибальства атлантичного і тихоокеанського лососів. Фото чавичі (Oncorhynchus tshawytscha) by Zureks, via Wikimedia Commons.
Атлантичні та тихоокеанські лососі є економічно, культурно та екологічно важливими ресурсами. Таким чином, розробка та застосування інструментів для інформування про збереження та управління лососем сприяє подальшій реалізації цих різноманітних економічних, культурних та екологічних цінностей.
Постійний і швидкий розвиток та застосування підходів до виявлення та кількісного визначення екологічної ДНК (еДНК) має потенціал допомогти покращити наше розуміння поширення, чисельності та здоров’я лососевих видів. Екологічна ДНК в широкому сенсі належить до генетичного матеріалу в навколишньому середовищі, включаючи позаорганізмовий матеріал, присутній в одноклітинних організмах або вірусах.
При застосуванні для опису рибних угруповань у водному середовищі методи еДНК зазвичай передбачають виявлення, вимірювання та/або секвенування ДНК, що виділяється молодими, зрілими або загиблими рибами у товщу води. Подібні підходи можуть бути використані для визначення ДНК біологічних організмів, які можуть загрожувати здоров’ю риб (наприклад, вірусів, бактерій і паразитів). Аналіз еДНК має потенціал для отримання оцінок присутності/відсутності популяції, відносної чисельності/біомаси та генетичного різноманіття з різним ступенем достовірності та роздільної здатності.
Ця стаття – стислий витяг з оригінальної публікації (Ramey, A.M. et al. 2023. Environmental DNA as a Tool for Better Understanding the Distribution, Abundance, And Health of Atlantic Salmon and Pacific Salmon. Fisheries Magazine 49(4): 169-180) – узагальнює опубліковану літературу щодо застосування підходів еДНК для опису розподілу, чисельності та здоров’я різних видів атлантичного та тихоокеанського лососів.
Автори провели систематичний пошук рецензованих наукових статей, що досліджують поширення, чисельність та стан здоров’я атлантичного та тихоокеанського лососів за допомогою еДНК. У цьому огляді ми розглядаємо дослідження еДНК атлантичного лосося (Salmo salar), чавичі (Oncorhynchus tshawytscha), кети (O. keta), кижуча (O. kisutch), сими (O. masou), нерки (O. nerka) та горбуші (O. gorbuscha). Ми узагальнюємо інформацію в контексті досягнень, можливостей та викликів, щоб допомогти управлінцям рибного господарства визначити відповідну роль аналізу еДНК у процесах прийняття рішень. Для отримання додаткової інформації зверніться до оригінальної публікації.
Успіхи: Виявлення лосося
Враховуючи, що лосось використовує різні водні оселища на різних стадіях життєвого циклу, велика кількість досліджень була присвячена оцінці чисельності, розподілу та часу перебування ДНК лососевих у різних морських, естуарних та прісноводних системах. Ці середовища дуже мінливі за хімічним складом води, температурою, течіями, гідрологією та життєвими стадіями лосося, які вони підтримують; у свою чергу, ці фактори впливають на розподіл і час перебування еДНК у товщі води.
Численні дослідження продемонстрували, що підходи, засновані на qPCR (кількісна полімеразна ланцюгова реакція, або qPCR – метод, за допомогою якого кількість продукту може бути визначена в режимі реального часу), можуть бути використані для виявлення присутності лосося та якісного опису тенденцій його чисельності в прибережних морських середовищах. У сукупності ці дослідження показують, що еДНК лососевих можна надійно виявляти в прибережних та естуарійних середовищах, які зазнають впливу припливів і відпливів та перебувають під впливом складних гідрологічних режимів..
В останні роки еДНК стала корисним інструментом для оцінки зусиль з відновлення оселищ та моніторингу повторного заселення лососем річкових оселищ. Різні дослідження надали докази того, що час і просторова протяжність реколонізації відрізняються для різних видів, і що підходи з використанням еДНК доповнюють традиційні рибогосподарські дослідження, які обмежені за частотою і складні для проведення у верхніх частинах водозбору, розташованих у важкодоступній місцевості.
Різноманітні польові експерименти показали, що еДНК лосося зберігається і легко виявляється на невеликих відстанях (10-100 м), коли риба присутня, хоча ДНК лосося також деградує, осідає або іншим чином стає менш помітною на більших відстанях (приблизно 1 км і більше) у лотичних системах (lotic systems: ручаї, потічки, річки тощо). Цей загальний висновок узгоджується з оцінками відстаней перенесення еДНК, отриманими в різних дослідженнях.
Успіхи: оцінка рясноти лососевих
Оцінку абсолютних показників чисельності лосося за допомогою методів еДНК ще не досягнуто, і це завдання може залишатися недосяжним, частково через численні фактори, які впливають на виявлення та кількісне визначення позаорганізмової ДНК. Однак перші спроби розробити індекси чисельності лосося вказують на те, що підходи з використанням еДНК можуть доповнити більш традиційні методи відбору проб для інформування управління рибальством.
Наприклад, за допомогою відбору проб естуаріїв і струмків на північному заході США було виявлено позитивну кореляцію між концентрацією виявленої еДНК лосося та чисельністю мігруючих мальків тихоокеанського лосося, а також риб, що повертаються на нерест. Таким чином, існують докази того, що підходи qPCR можуть слугувати надійними показниками чисельності лосося, коли враховуються такі фактори, як стадія життя риби, загальна біомаса лосося та щільність риби.
Успіхи: Моніторинг стану здоров’я лососевих та стану оселища
Для виявлення патогенів і паразитів у товщі води використовувалися різні підходи до еДНК, які демонструють, що еДНК може бути корисним інструментом для виявлення потенційних загроз для здоров’я лосося. Для моніторингу здоров’я морських екосистем у відповідь на аквакультуру лосося використовувалися різні підходи меташтрихового кодування еДНК.
Попередні дослідження з використанням підходів меташтрихового кодування еДНК свідчать про те, що ці інструменти мають цінність для моніторингу збурень в екосистемах, пов’язаних з об’єктами лососевої аквакультури. Крім того, підходи меташтрихового кодування можуть бути корисними для моніторингу здоров’я як вирощеної риби, так і морського середовища, в якому вона мешкає..
Можливості: Альтернативні інструменти для вивчення лососевих та моніторингу риб та їх
Аналіз екологічної ДНК є потенційно високочутливим і менш інвазивним способом оцінки наявності та розподілу рибних запасів з низькою чисельністю, які є об’єктами заходів з охорони. Загалом, узгоджені тенденції в даних еДНК, отриманих у цих дослідженнях, порівняно з інформацією, отриманою за допомогою більш традиційних підходів до відбору проб, підкреслюють потенціал відбору проб навколишнього середовища та молекулярного аналізу як мінімально інвазивного додаткового або альтернативного підходу до вилову риби та подальших маніпуляцій з нею.
У ході додаткового дослідження результати qPCR з контрольованих експериментів, проведених в умовах риборозвідні з використанням кижуча, продемонстрували, як методи оцінки та звітування про статистичну достовірність висновків для виявлення лосося з низькою чисельністю та високим пріоритетом можуть бути включені в плани досліджень.
Нерест нерки (Oncorhynchus nerkaрічці Little Wenatchee поблизу Leavenworth, штат Вашингтон, США. Фото Ryan Hagerty, U.S. Fish and Wildlife Service.
Застосування підходів еДНК також є перспективним для визначення місць зростання лосося на ранніх стадіях життя, коли за ними важко спостерігати або їх диференціація за видами може зайняти багато часу. Підходи на основі екологічної ДНК для ідентифікації оселищ, що використовуються молодими лососями, можуть бути найбільш цінними для інформування управлінців у поєднанні з іншими аналітичними підходами. Наприклад, моделювання внутрішнього потенційного середовища існування та виявлення еДНК чавичі були використані для визначення потенційного середовища вирощування в басейні річки Chena, США.
Можливості: Виявлення змін у поширенні лосося, його патогенів та інвазивних видів
Застосування підходів, заснованих на аналізі еДНК, є перспективним для прогнозування змін у заповненні видами лососевих оселищ. Застосування інструментів виявлення еДНК також може бути корисним для розуміння розширення ареалів видів, наприклад, колонізації і розселення лосося в нових водозбірних басейнах в Арктиці у відповідь на зміну клімату.
Застосування підходів виявлення еДНК за допомогою qPCR вже показало, що вони можуть слугувати інструментом для розуміння лосося як інвазивного виду, наприклад, для визначення чавичі та кижуча в регіоні Патагонії в Аргентині та Чилі, а також кижуча на Корейському півострові. Подібні підходи з використанням еДНК можуть бути корисними для моніторингу річок Тихоокеанського північно-західного регіону Канади і США на предмет виявлення атлантичного лосося, який може втекти з рибницьких саджалок біля узбережжя Британської Колумбії.
Застосування інструментів еДНК також є перспективним для раннього виявлення нових патогенів або інвазивних видів, які можуть негативно вплинути на здоров’я риб, що може сприяти швидкому реагуванню та ефективним стратегіям пом’якшення наслідків та управління ними.
Можливості: Підходи до інформування керівництва в режимі, наближеному до реального часу
Постійний розвиток і вдосконалення автономних інструментів для відбору зразків еДНК і аналізу дає можливість отримувати точну інформацію про появу лосося і патогенів лосося в режимі, близькому до реального часу, для підтримки управління рибним господарством..
Кількісні підходи до виявлення еДНК є перспективними для оцінки тенденцій чисельності риби в річках, враховуючи попередні результати, що підтверджують позитивну кореляцію між чисельністю тихоокеанського лосося та концентрацією еДНК на Алясці, США, за допомогою qPCR. Подальше вдосконалення таких підходів у поєднанні з інтеграцією в робочі процеси з використанням автономного відбору зразків еДНК відкриває потенціал для доповнення більш традиційних трудомістких підходів до підрахунку риби (наприклад, за допомогою гребель, сонарів, опитувань, пробного рибальства та електролову) в режимі, близькому до реального часу, для підтримки управління рибальством. Однак, перш ніж реалізувати цю програму, необхідно подолати значні аналітичні, технологічні та логістичні виклики.
Виклики: Фактори, що впливають на виявлення та кількісне визначення еДНК
На виявлення та кількісне визначення еДНК можуть впливати численні фактори, пов’язані з потраплянням ДНК у навколишнє середовище, транспортуванням вниз за течією та деградацією ДНК. Потрапляння ДНК лосося в навколишнє середовище залежить від кількості та щільності риби, загальної біомаси, життєвої стадії присутньої риби та відносної частки живої та мертвої риби, і жоден з цих факторів наразі не може бути оцінений лише за допомогою методів аналізу еДНК. Перенесення вниз за течією є функцією субстрату, швидкості та об’єму потоку, які впливають на розбавлення та накопичення еДНК.
Точна характеристика та кількісна оцінка стоку та об’єму потоку може бути логістично складною у деяких водних оселищах, особливо у районах з великими або дуже нерівними краями, а також у віддалених водозбірних басейнах, де відсутні водомірні пристрої і на які сильно впливають опади та/або екстремальні припливні коливання. Хоча нещодавні досягнення в галузі дистанційного зондування можуть у багатьох випадках полегшити апроксимацію витрат води, оцінки для невимірюваних потоків схильні до високої невизначеності та похибки.
Деградація еДНК залежить від багатьох факторів, включаючи час з моменту потрапляння в навколишнє середовище, температуру навколишнього середовища, рН, солоність, проникнення ультрафіолетового світла та мікробні/ферментативні взаємодії. Дані про вплив цих змінних та їх взаємодії на деградацію еДНК в польових умовах обмежені. Дослідження еДНК лосося можна зробити більш ефективними, включивши вимірювання фізичних і біологічних параметрів у дослідницькі системи як частину стратегій відбору проб, а також враховуючи їх в аналізах, щоб досягти цілей проекту.
Виклики: Витрати
Витрати на розробку, тестування та перевірку інструментів для аналізу еДНК можуть бути значними, а тому, залежно від масштабу проекту та стратегії відбору зразків, ефективність може бути досягнута завдяки використанню раніше встановлених маркерів та аналітичних підходів. Для аналізу зразків еДНК потрібні спеціалізовані інструменти та висококваліфікований персонал, хоча збір зразків, як правило, є менш технічно складним і може бути виконаний персоналом з обмеженим технічним досвідом або взагалі без нього.
Нещодавно були розроблені автономні пробовідбірники еДНК, які застосовуються для виявлення лосося та інших видів. Однак ці пристрої, як правило, дорожчі, ніж ручний відбір зразків, і все ще вимагають періодичного відвідування місця для отримання зразків і заміни витратних матеріалів.
Такі пробовідбірники можуть стати доступнішими та ефективнішими завдяки подальшому технологічному та інженерному прогресу, що дозволить збільшити ємність пробовідбірника, інтегрувати аналітику in situ та здешевити виробництво. Оскільки застосування методів еДНК стає все більш поширеним, витрати, пов’язані з технологією, можуть знижуватися з ростом масштабу. Крім того, для реалізації потенціалу інструментів еДНК для біомоніторингу можуть бути корисними креативні способи зменшення витрат на відбір зразків
Перспективи
З огляду на останні досягнення, відбір зразків еДНК та аналіз з використанням як qPCR, так і меташтрихове кодування тепер слугують корисними інструментами для виявлення атлантичного і тихоокеанського лосося та розуміння загроз для здоров’я риб та їхніх середовищ існування. Існують можливості для застосування чутливих і мінімально інвазивних підходів до аналізу еДНК для виявлення риби та оцінки рибних оселищ, оцінки розширення ареалу лосося і лососевих патогенів, а також виявлення інвазивних організмів, які можуть загрожувати здоров’ю та чисельності лосося. На підході розробка підходів до виявлення та кількісної оцінки еДНК в режимі, близькому до реального часу, для інформування органів управління рибальством.
Проблеми, що обмежують широке застосування методів еДНК для інформування управління лососевими, включають врахування багатьох факторів, що впливають на виявлення та кількісне визначення еДНК, обмеженість даних для отримання висновків та витрати. Очікується, що завдяки постійному розвитку і вдосконаленню, включаючи додаткову валідацію з використанням паралельних потоків даних, підходи qPCR і меташтрихового кодування стануть все більш поширеними інструментами з використання еДНК, доступними для менеджерів атлантичного і тихоокеанського лососевих рибальств.
