Экологическая ДНК

В последние годы eDNA используется как инструмент для обнаружения редких и исчезающих видов, которые иначе не были бы замечены. В 2020 году исследователи в области здравоохранения начали применять методы eDNA для отслеживания пандемии COVID-19^[1].

Примеры источников eDNA включают, но не ограничиваются: фекалии, слизь, гаметы, сброшенная кожа, трупы и волосы^[2]. Образцы могут быть проанализированы с помощью высокопроизводительных методов секвенирования ДНК, известных как метагеномика, метабаркодирование и детекция отдельных видов, для быстрого мониторинга и измерения биоразнообразия. Для лучшего различения организмов в образце используется метабаркодирование ДНК, при котором анализируются образцы и используются ранее изученные библиотеки ДНК, такие как BLAST, для определения присутствующих организмов^[3].

eDNA метабаркодирование — это новый метод оценки биоразнообразия, при котором образцы берутся из окружающей среды (вода, осадок или воздух), из которых выделяется ДНК, затем амплифицируется с помощью общих или универсальных праймеров в полимеразной цепной реакции и секвенируется с использованием секвенирования следующего поколения, что позволяет получить тысячи или миллионы прочтений. На основе этих данных можно определить присутствие видов и оценить общее биоразнообразие. Это междисциплинарный метод, объединяющий традиционную полевую экологию с молекулярными методами и современными вычислительными инструментами.

Анализ eDNA имеет большой потенциал не только для мониторинга обычных видов, но и для генетического обнаружения и идентификации других существующих видов, что может повлиять на усилия по их сохранению^[4]. Этот метод позволяет проводить биомониторинг без необходимости сбора живых организмов, что даёт возможность изучать инвазивные, скрытные или исчезающие виды без дополнительного антропогенного стресса. Доступ к этой генетической информации критически важен для понимания численности популяций, распространения видов и динамики популяций для плохо изученных видов. Важно, что eDNA часто оказывается более экономически эффективной по сравнению с традиционными методами отбора проб^[5]. Сохранность образцов eDNA зависит от их сохранения в окружающей среде.

Почва, вечная мерзлота, пресная и морская вода — хорошо изученные макроокружения, из которых были выделены образцы eDNA, каждое из которых включает множество более специфических субокружений^[6]. Благодаря своей универсальности, eDNA применяется во многих субокружениях, таких как отбор проб пресной воды, морской воды, почвы (тундровая мерзлота), донных осадков (река, озеро, пруд, морское дно)^[7], или других средах, где обычные методы отбора проб затруднены^[6].

7 декабря 2022 года в журнале Nature было опубликовано исследование, в котором сообщается о выделении двухмиллионнолетней eDNA из отложений Гренландии, что на данный момент считается самой древней секвенированной ДНК.

Экологическая ДНК или eDNA описывает генетический материал, присутствующий в образцах окружающей среды, таких как осадок, вода и воздух, включая целые клетки, внеклеточную ДНК и, возможно, целые организмы^[8]. Анализ eDNA начинается со сбора интересующего образца окружающей среды. ДНК из образца затем выделяется и очищается. Очищенная ДНК затем амплифицируется для определённого генного маркера, чтобы её можно было секвенировать и классифицировать по последовательности^[9]. На основе этой информации возможно обнаружение и классификация видов.

eDNA может поступать из кожи, слизи, слюны, спермы, выделений, яиц, фекалий, мочи, крови, корней, листьев, плодов, пыльцы и разлагающихся тел крупных организмов, а микроорганизмы могут быть получены целиком^[10][4]. Образование eDNA зависит от биомассы, возраста и активности питания организма, а также физиологии, жизненного цикла и использования пространства^[11][12][13].

Несмотря на относительную новизну метода, eDNA уже доказала огромный потенциал в биомониторинге. Традиционные методы оценки видового богатства и численности ограничены таксономической идентификацией, могут вызывать нарушение или разрушение среды обитания и часто не позволяют обнаружить мелкие или скрытные виды, что делает невозможной оценку всего сообщества. eDNA может дополнять эти методы, позволяя выявлять разные виды, охватывать большее разнообразие и повышать таксономическое разрешение. Кроме того, eDNA способна обнаруживать редкие виды^[11][14], но не позволяет определять качественные параметры популяции, такие как соотношение полов и состояние особей, поэтому она идеальна для дополнения традиционных исследований. Тем не менее, eDNA полезна для обнаружения первых появлений инвазивных видов, продолжающегося присутствия аборигенных видов, считавшихся вымершими или находящихся под угрозой, а также других скрытных видов, встречающихся в низкой плотности и труднодоступных для традиционных методов. Деградация eDNA в окружающей среде ограничивает возможности исследований, поскольку часто остаются только небольшие фрагменты генетического материала, особенно в тёплых, тропических регионах. Кроме того, различная скорость деградации в зависимости от условий среды и возможность перемещения ДНК по среде, например, по воде, могут влиять на интерпретацию пространственно-временных тенденций видов и сообществ^{[11][15][10][16][13]}. Несмотря на эти недостатки, eDNA всё же может определять относительную или ранговую численность, поскольку некоторые исследования показали её корреляцию с биомассой, хотя вариабельность природных образцов затрудняет количественную оценку^[4].^[12] Хотя eDNA имеет многочисленные применения в охране природы, мониторинге и оценке экосистем, а также в других ещё не описанных областях, высокая изменчивость концентраций eDNA и возможная неоднородность по водоёму делают необходимой оптимизацию процедуры, желательно с пилотным исследованием для каждой новой задачи, чтобы убедиться, что дизайн отбора проб подходит для обнаружения целевого объекта^[17].

eDNA метабаркодирование применяется для мониторинга разнообразия во всех средах и таксономических группах, реконструкции древних экосистем, изучения взаимодействий растений и опылителей, анализа рациона, обнаружения инвазивных видов, оценки реакции на загрязнение и мониторинга качества воздуха. Это уникальный метод, находящийся в стадии развития, и, вероятно, будет совершенствоваться по мере развития технологий и стандартизации процедур. Однако по мере оптимизации метабаркодирования и расширения его применения оно, вероятно, станет важнейшим инструментом экологического мониторинга и глобальных исследований по сохранению природы.

Внеклеточная ДНК, иногда называемая реликтовой ДНК, — это ДНК от мёртвых микробов. Свободная внеклеточная ДНК (eDNA), большая часть которой выделяется при гибели клеток, практически повсеместна в окружающей среде. Её концентрация в почве может достигать 2 мкг/л, а в природных водоёмах — до 88 мкг/л^[23]. Для eDNA предложены различные возможные функции: она может участвовать в горизонтальном переносе генов^[24]; служить источником питательных веществ^[25]; а также действовать как буфер для ионов или антибиотиков. Внеклеточная ДНК функционирует как компонент внеклеточного матрикса в биоплёнках ряда бактериальных видов. Она может служить фактором распознавания для регуляции прикрепления и расселения определённых типов клеток в биоплёнке^[26]; способствовать формированию биоплёнки^[27]; а также повышать физическую прочность и устойчивость биоплёнки к биологическому стрессу^[28].

Под названием экологической ДНК eDNA всё шире используется в естественных науках как инструмент для экологии, мониторинга перемещений и присутствия видов в воде, воздухе или на суше, а также для оценки биоразнообразия территории^[29].

На диаграмме справа количество реликтовой ДНК в микробной среде определяется поступлением, связанным с гибелью жизнеспособных особей с целой ДНК, и потерями, связанными с деградацией реликтовой ДНК. Если разнообразие последовательностей в пуле реликтовой ДНК существенно отличается от такового в пуле целой ДНК, то реликтовая ДНК может искажать оценки микробного биоразнообразия (что показано разными цветами) при отборе проб из общего пула ДНК^[30]. Для стандартизации данных о методах отбора и анализа, а также таксономических и онтологических связей предложен стандарт STARDIT^[31].