Штрих-кодирование ДНК водных макробеспозвоночных - Aquatic macroinvertebrate DNA barcoding

Штрих-кодирование ДНК альтернативный метод традиционному морфологическому таксономическая классификация, и часто использовался для определения видов водный макробеспозвоночные (обычно считаются достаточно большими, чтобы их можно было увидеть без увеличения). Многие имеют решающее значение индикаторные организмы при биооценке пресной воды (например: Ephemeroptera, Plecoptera, Трихоптера ) и морские (например, Аннелида, Иглокожие, Моллюски ) экосистемы.

С момента своего появления область штрих-кодирования ДНК созрела, чтобы преодолеть разрыв между традиционной таксономией и молекулярной систематикой. Этот метод позволяет получить более подробную таксономическую информацию, особенно для загадочных, мелких или редких видов. Штрих-кодирование ДНК включает специфическое нацеливание на участки генов, которые обнаруживаются и сохраняются у большинства видов животных, но сильно варьируются между представителями разных видов. Точный диагноз зависит от низкой внутривидовой изменчивости по сравнению с таковой между видами, короткой последовательности ДНК, такой как Ген цитохромной субъединицы оксидазы I (COI), позволит точно отнести человека к таксон.

Методология

Хотя о концепции использования дивергенции последовательностей ДНК для различения видов сообщалось ранее, Hebert et al. (2003) были пионерами, предложившими стандартизацию Штрих-кодирование ДНК как метод молекулярного различения видов.[1]

Сбор образцов для штрих-кодирования ДНК не отличается от традиционных методов, за исключением того, что образцы должны храниться в этаноле высокой концентрации (> 70%).[2] Было указано, что типичный протокол хранения проб бентоса в формалине отрицательно влияет на целостность ДНК.[3]

Ключевой концепцией штрих-кодирования макробеспозвоночных является правильный выбор ДНК-маркеров (области штрих-кода ДНК) для амплификации соответствующих областей гена с использованием ПЦР техники. Область штрих-кода ДНК должна быть идеально консервативной в пределах одного вида, но изменяться у разных (даже близкородственных) видов, и, следовательно, ее последовательность должна служить в качестве генетической метки для конкретного вида. Поэтому выбор маркера играет важную роль.[4] Ген цитохромной субъединицы оксидазы I (COI) - один из наиболее широко используемых маркеров при штриховом кодировании макробеспозвоночных. Другие маркеры, которые можно использовать, - это гены рибосомной РНК. 16S и 18S.

Более того, сортировка беспозвоночных по категориям разного размера полезна, поскольку образцы в выборке могут сильно различаться по биомассе в зависимости от вида и стадии жизни.[5]

Подробнее о методах см. Штрих-кодирование ДНК.

Метабаркодирование ДНК

Из-за значительного количества таксонов, составляющих сообщества водных макробеспозвоночных, Метабаркодирование ДНК Метод обычно используется для оценки отдельных таксонов в объемных пробах или пробах воды. Метабаркодирование ДНК - это метод, который состоит из того же рабочего процесса, что и Штрих-кодирование ДНК, отличающиеся использованием высокопроизводительное секвенирование (HTS) технологии. Возможности метабаркодирования ДНК в оценке и мониторинге различных таксономических групп были успешно продемонстрированы в нескольких исследованиях.[6][7] Многие исследователи использовали методы метабаркодирования для классификации бентосных макробеспозвоночных по образцам тканей,[8] что указывает на его осуществимость и более высокую чувствительность по сравнению с методами классической таксономии. Другие, подтверждают использование секвенирование нового поколения (NGS) технологии 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 основано на Эдна реализация подходов, проверка полей, выбор платформы и штрих-кода или ограничения базы данных.[12]

Применение и проблемы

Методы штрих-кодирования макробеспозвоночных (мета) часто используются в:

  • Оценка биоразнообразия. Из-за большого количества видов макробеспозвоночных обработка образцов (сортировка и идентификация) является трудоемкой и часто сложной задачей, которая может привести к ошибкам во время оценки.[13]
  • Мониторинг окружающей среды программы. Макробеспозвоночные в пределах одной системы могут проживать 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 коротко, чтобы реагировать на относительно резкие изменения качества воды. Из-за ограниченной мобильности макробеспозвоночных и их относительной неспособности уйти от неблагоприятных условий местоположение хронических источников загрязнения часто можно точно определить, сравнивая сообщества этих организмов.
  • Обнаружение иностранец разновидность. Применение методов eDNA и (мета) штрих-кодирования постоянно расширяется в исследованиях процессов инвазии.[14]
  • Идентификация видов. Идентификация на уровне «вид» требует высокого уровня таксономической экспертизы. Различные стадии развития макробеспозвоночных зачастую сложно идентифицировать морфологически даже специалистам., особенно из-за отсутствия соответствующих идентификационных ключей для водных макробеспозвоночных [15]. Например, для некоторых таксонов водных беспозвоночных таксономическая идентификация возможна только для самцов и некоторых более поздних возрастов, но сочетание штрих-кодирования с традиционной таксономией обеспечивает надежную основу для биологической идентификации.[16] Часто виды не могут быть идентифицированы, поскольку они морфологически непонятны, похожи или представляют менее известные группы.[17] Было высказано предположение, что комбинированный анализ морфологических и молекулярных данных может обеспечить лучшее решение для так называемой «интегративной таксономии».[18] В ряде исследований использовались подходы штрих-кодирования или метабаркодирования к различным группам, например одонатам, особенно стрекозам (Anisoptera) и стрекозам (Zygoptera), с рекомендацией использовать комбинацию маркеров.[19]
  • Стресс-реакция. Отдельные виды пресноводных беспозвоночных, часто объединенные с более высоким таксономическим уровнем для целей биомониторинга, могут существенно различаться по своей устойчивости к стрессорам и реагировать более сложным образом, чем это наблюдается на уровне рода.[20] Идентификация, основанная на штрих-кодировании ДНК, может улучшить обнаружение небольших изменений в условиях потока. Недавние результаты показали, что штрих-кодирование ДНК может повысить таксономическое разрешение и, таким образом, повысить чувствительность показателей биооценки.[21]

Также много вызовы Что касается генетического штрих-кодирования водных макробеспозвоночных:

  • Справочные библиотеки. Наличие справочные библиотеки штрих-кодов ДНК очень важен для идентификации видов.[22]
  • В базах данных отсутствуют виды. Информация о существующих видах обычно не является полной или не коррелирует с экологическими параметрами, такими как глубина, метод отбора проб, соленость и т. Д.
  • Проверка качества данных. Записи в базах данных часто не проверяются.
  • Устаревшая таксономия. Иногда виды в базах данных могут иметь устаревшую таксономию (например, синонимы).
  • Количественное измерение видового разнообразия (оценка биомассы и численности видов).
  • Отсутствие информации о ДНК. Виды в более ранней литературе идентифицируются только по таксономическим признакам, для подтверждения которых не существует образцов ДНК.
  • Технические проблемы необходимо принимать во внимание, например, необходимость применения разных протоколов при работе с различными организмами, выбор подходящих маркеров штрих-кодирования ДНК, дизайн праймера (идентификация консервативных областей, подходящих в качестве сайтов связывания праймеров, оценка таксономического охвата и способности амплифицированных регионов для разрешения таксонов на уровне семейства и т. д.).
  • Расходы связанные с секвенированием.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Hebert, Paul D. N .; Цивинская, Алина; Болл, Шелли Л .; ДеВаард, Джереми Р. (07.02.2003). «Биологическая идентификация с помощью штрих-кодов ДНК». Труды Лондонского королевского общества. Серия B: Биологические науки. 270 (1512): 313–321. Дои:10.1098 / rspb.2002.2218. ISSN  1471-2954. ЧВК  1691236. PMID  12614582.
  2. ^ Штейн, Эрик Д .; Уайт, Брайан П .; Mazor, Raphael D .; Миллер, Питер Э .; Пилигрим, Эрик М. (2013). «Оценка сохранности образцов на основе этанола для облегчения использования штрих-кодирования ДНК в повседневных программах биомониторинга пресной воды с использованием донных макробеспозвоночных». PLOS ONE. 8 (1): e51273. Дои:10.1371 / journal.pone.0051273. ЧВК  3537618. PMID  23308097.
  3. ^ Бэрд, Дональд Дж .; Паско, Тимоти Дж .; Чжоу, Синь; Хаджибабаей, Мехрдад (март 2011 г.). «Создание библиотек ДНК-штрих-кодов пресноводных макробеспозвоночных на основе эталонного коллекционного материала: сохранение формалина против возраста образца». Журнал Североамериканского бентологического общества. 30 (1): 125–130. Дои:10.1899/10-013.1. ISSN  0887-3593.
  4. ^ 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. Дои:10.1111 / mec.14410. HDL:10044/1/58144. PMID  29113023.
  5. ^ Эльбрехт, Васко; Пайнерт, Бьянка; Лиз, Флориан (сентябрь 2017 г.). «Разбираемся: оценка влияния неодинаковой биомассы образца на метабаркодирование ДНК». Экология и эволюция. 7 (17): 6918–6926. Дои:10.1002 / ece3.3192. ЧВК  5587478. PMID  28904771.
  6. ^ Лейзерович, Франк; Эслинг, Филипп; Pillet, Loïc; Wilding, Thomas A .; Блэк, Кеннет Д.; Павловский, янв (ноябрь 2015 г.). «Высокопроизводительное секвенирование и морфология одинаково хорошо подходят для бентического мониторинга морских экосистем». Научные отчеты. 5 (1): 13932. Дои:10.1038 / srep13932. ISSN  2045-2322. ЧВК  4564730. PMID  26355099.
  7. ^ 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 повседневного мониторинга потока». Методы в экологии и эволюции. 8 (10): 1265–1275. Дои:10.1111 / 2041-210X.12789.
  8. ^ Кэрью, Мелисса Э; Петтигроув, Винсент Дж; Метцлинг, Леон; Хоффманн, Ари А (2013). «Экологический мониторинг с использованием секвенирования следующего поколения: быстрое определение биоиндикаторов макробеспозвоночных». Границы зоологии. 10 (1): 45. Дои:10.1186/1742-9994-10-45. ISSN  1742-9994. ЧВК  3750358. PMID  23919569.
  9. ^ Лейзерович, Франк; Эслинг, Филипп; Pillet, Loïc; Wilding, Thomas A .; Блэк, Кеннет Д.; Павловский, янв (ноябрь 2015 г.). «Высокопроизводительное секвенирование и морфология одинаково хорошо подходят для бентического мониторинга морских экосистем». Научные отчеты. 5 (1): 13932. Дои:10.1038 / srep13932. ISSN  2045-2322. ЧВК  4564730. PMID  26355099.
  10. ^ Дейнер, Кристи; Fronhofer, Emanuel A .; Мехлер, Эльвира; Вальзер, Жан-Клод; Альтерматт, Флориан (декабрь 2016 г.). «Экологическая ДНК показывает, что реки - это конвейеры информации о биоразнообразии». Nature Communications. 7 (1): 12544. Дои:10.1038 / ncomms12544. ISSN  2041-1723. ЧВК  5013555. PMID  27572523.
  11. ^ Зайко, Анастасия; Мартинес, Хосе Л .; Ардура, Альба; Клаза, Лаура; Borrell, Yaisel J .; Самуиловиене, Аурелия; Рока, Агустин; Гарсия-Васкес, Ева (декабрь 2015 г.). «Обнаружение вредных видов с помощью NGST: недостатки методологии и возможное применение при мониторинге водяного балласта» (PDF). Исследования морской среды. 112 (Pt B): 64–72. Дои:10.1016 / j.marenvres.2015.07.002. PMID  26174116.
  12. ^ Фернандес, Сара; Родригес, Сауль; Мартинес, Хосе Л .; Borrell, Yaisel J .; Ардура, Альба; Гарсиа-Васкес, Ева (2018-08-08). Мельчер, Ульрих (ред.). «Оценка пресноводных макробеспозвоночных с помощью метабаркодирования электронной ДНК: тематическое исследование реки Налон». PLOS ONE. 13 (8): e0201741. Дои:10.1371 / journal.pone.0201741. ISSN  1932-6203. ЧВК  6082553. PMID  30089147.
  13. ^ Хаасе, Питер; Pauls, Steffen U .; Schindehütte, Карин; Сандерманн, Андреа (декабрь 2010 г.). «Первый аудит образцов макробеспозвоночных в рамках программы мониторинга Рамочной директивы ЕС по водным ресурсам: человеческая ошибка значительно снижает точность результатов оценки». Журнал Североамериканского бентологического общества. 29 (4): 1279–1291. Дои:10.1899/09-183.1. ISSN  0887-3593.
  14. ^ «REABIC - Журналы - Записи о биологическом вторжении - Выпуск 1 (2018)». www.reabic.net. Дои:10.3391 / bir.2018.7.1.08. Получено 2019-04-19.
  15. ^ Venter, Hermoine J .; Отдел экологических наук и менеджмента, Северо-Западный университет, Почефструм, Южная Африка; Безуиденхаут, Корнелиус С .; Отдел экологических наук и менеджмента, Северо-Западный университет, Почефструм, Южная Африка (2016-05-26). «Идентификация водных беспозвоночных на основе ДНК, полезная в контексте Южной Африки?». Южноафриканский научный журнал. 112 (5/6). Дои:10.17159 / sajs.2016 / 20150444. ISSN  0038-2353.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  16. ^ ДеУолт, Р. Эдвард (01.03.2011). «Штрих-кодирование ДНК: таксономическая точка зрения». Журнал Североамериканского бентологического общества. 30 (1): 174–181. Дои:10.1899/10-021.1. ISSN  0887-3593.
  17. ^ Кэрью, Мелисса Э; Петтигроув, Винсент Дж; Метцлинг, Леон; Хоффманн, Ари А (2013). «Экологический мониторинг с использованием секвенирования следующего поколения: быстрое определение биоиндикаторов макробеспозвоночных». Границы зоологии. 10 (1): 45. Дои:10.1186/1742-9994-10-45. ISSN  1742-9994. ЧВК  3750358. PMID  23919569.
  18. ^ Телетчея, Фабрис (01.12.2010). «После 7 лет и 1000 цитирований: сравнительная оценка штрих-кодирования ДНК и предложений по таксономии ДНК для таксономистов и не систематиков». Митохондриальная ДНК. 21 (6): 206–226. Дои:10.3109/19401736.2010.532212. ISSN  1940-1736. PMID  21171865.
  19. ^ Рах, Джессика; Бергманн, Тьярд; Пакния, Омид; ДеСалле, Роб; Шируотер, Бернд; Хадрис, Хайке (2017-04-13). Юэ, Би-Сон (ред.). «Выбор маркера: неожиданная разрешающая способность неисследованной области CO1 для подходов к многоуровневому штрих-кодированию ДНК». PLOS ONE. 12 (4): e0174842. Дои:10.1371 / journal.pone.0174842. ISSN  1932-6203. ЧВК  5390999. PMID  28406914.
  20. ^ Macher, Jan N .; Salis, Romana K .; Блейкмор, Кэти С .; Толлриан, Ральф; Matthaei, Christoph D .; Лиз, Флориан (февраль 2016 г.). «Множественные стрессорные эффекты на речных беспозвоночных: штрих-кодирование ДНК выявляет противоположные реакции загадочных видов поденок». Экологические показатели. 61: 159–169. Дои:10.1016 / j.ecolind.2015.08.024.
  21. ^ Штейн, Эрик Д .; Уайт, Брайан П .; Mazor, Raphael D .; Джексон, Джон К .; Battle, Juliann M .; Миллер, Питер Э .; Пилигрим, Эрик М .; Суини, Бернард В. (2014-03-01). «Улучшает ли штрих-кодирование ДНК производительность традиционных потоковых метрик биооценки?». Пресноводная наука. 33 (1): 302–311. Дои:10.1086/674782. ISSN  2161-9549.
  22. ^ Уэбб, Джеффри М .; Jacobus, Luke M .; Функ, Дэвид Х .; Чжоу, Синь; Кондратьев, Борис; Джерачи, Кристи Дж .; Деуолт, Р. Эдвард; Бэрд, Дональд Дж .; Ричард, Бартон (30 мая 2012 г.). Фентон, Брок (ред.). «Библиотека штрих-кодов ДНК для североамериканских эфемероптерокрылых: достижения и перспективы». PLoS ONE. 7 (5): e38063. Дои:10.1371 / journal.pone.0038063. ISSN  1932-6203. ЧВК  3364165. PMID  22666447.