海洋生物はほとんど視界から隠されています。 どこに住んでいるかを監視するには費用がかかります。通常、大きなボート、大きなネット、熟練した人員、そして十分な時間が必要です。 環境DNAと呼ばれるものを使用する新しい技術は、これらの制限のいくつかを回避し、水面下に存在するものをすばやく手頃な価格で把握する方法を提供します。
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魚やその他の動物は、細胞、分泌物、または排泄物の形でDNAを水に流します。 約10年前、ヨーロッパの研究者は、少量の池の水が、居住動物を検出するのに十分な自由浮遊DNAを含んでいることを最初に示しました。
その後、研究者は複数の淡水系、さらに最近では非常に大きく複雑な海洋環境で水生eDNAを探しています。 水生eDNAの原理は十分に確立されていますが、特定の海洋環境で魚とその豊富さを検出する可能性を探り始めたところです。 この技術は、持続可能な魚の割り当ての設定や絶滅危species種の保護の評価から洋上風力発電所の影響の評価まで、多くの実用的および科学的応用を約束します。
ハドソンにいるのはいつですか？
私たちの新しい研究では、同僚と私は、水生eDNAがニューヨーク市を囲むハドソン川河口の魚をどれだけうまく検出できるかをテストしました。 北米で最も都市化された河口であるにもかかわらず、水質は過去数十年で劇的に改善し、河口は多くの魚種にとって不可欠な生息地としての役割を部分的に回復しました。 エンパイアステートビルディングの敷地内にあるニューヨークの港の境界にある大西洋メンハーデンの大規模な群れを捕食するザトウクジラの現在の定期的な秋の出現により、地元の水の健康状態が改善されていることが強調されています。
収集バケツを川に投げ込む準備をしています。 （マーク・ストックル、CC BY-ND） 私たちの研究は、水サンプルのDNAテストを実施することにより、海洋魚の春の移動の最初の記録です。 2016年1月から7月にかけて、1リットル（1クォート程度）の水サンプルを2つの都市サイトで毎週収集しました。マンハッタンの海岸線は装甲されて高くなっているため、ロープにバケツを投げ入れました。 冬期のサンプルには、魚のeDNAはほとんど、またはまったくありませんでした。 4月以降、初夏までにサンプルあたり約10〜15種の魚が検出され、着実に増加しました。 eDNAの調査結果は、魚の動きに関する既存の知識とほぼ一致しており、数十年に及ぶ伝統的なin網調査で得られたものです。
私たちの結果は、水生eDNAの「Goldilocks」品質を実証しています。有用であるためには、適切な時間だけ続くようです。 すぐに消えてしまうと、検出できなくなります。 あまりにも長く続いた場合、季節の違いは検出されず、多くの淡水種と外洋種のDNAや地元の河口魚のDNAが見つかる可能性があります。 温度、電流などに応じて、数時間から数日でDNAが崩壊することが研究で示唆されています。
全体で、42種類の海産魚種に一致するeDNAを取得しました。これには、地元の豊富な種または一般的な種のほとんど（80％）が含まれます。 さらに、私たちが検出した種のうち、豊富な種または一般的な種は、ローカルで珍しいものよりも頻繁に観察されました。 検出された種のeDNAが、豊富さの観点から地元の一般的な魚の従来の観察と一致したことは、この方法にとって朗報です。 最終的には、河口の別の場所やさまざまな深さで大量の採集を行うことで、すべての地元の種を検出できると期待しています。
ニューヨーク市のイーストリバーからの1日のサンプルでeDNAを介して特定された魚。 （ニューヨーク州環境保護局：アレワイフ（ニシン種）、シマスズキ、アメリカウナギ、マミチョグ、マサチューセッツ州魚類およびゲーム局：黒スズキ、ブルーフィッシュ、アトランティックシルバーサイド、ニュージャージースキューバダイビング協会：オイステ） 地元の海洋種に加えて、いくつかのサンプルで地元の希少種または不在種も見つかりました。 ほとんどが私たちが食べる魚でした-ナイルティラピア、アトランティックサーモン、ヨーロッパスズキ（「ブランジノ」）。 これらは廃水によるものと推測されます。たとえハドソンがきれいであったとしても、下水汚染は持続します。 この場合にDNAが河口に入ったのであれば、その廃水をテストすることで、コミュニティが保護種を消費しているかどうかを判断できる可能性があります。 私たちが発見した残りの外来種は淡水種であり、ハドソン流域からの塩水河口への毎日の大規模な淡水流入を考えると、驚くほど少数でした。
ラボで河口の水をろ過して戻します。 （マーク・ストックル、CC BY-ND） 裸のDNAの分析
私たちのプロトコルは、分子生物学実験室の標準的な方法と機器を使用し、たとえば、ヒトの微生物叢の分析に使用されるのと同じ手順に従います。
収集後、細胞や細胞断片などの浮遊物質を捕捉する小さな孔径（0.45ミクロン）フィルターを通して水サンプルを分析します。 フィルターからDNAを抽出し、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）を使用して増幅します。 PCRは、特定のDNA配列を「ゼロックス化」するようなもので、簡単に分析できるように十分なコピーを生成します。
細胞のエネルギーを生成するオルガネラであるミトコンドリア内の遺伝物質であるミトコンドリアDNAを標的にしました。 ミトコンドリアDNAは核DNAよりもはるかに高い濃度で存在するため、検出が容易です。 また、すべての脊椎動物で同じ領域があるため、複数の種を簡単に増幅できます。
河口の水が通過した後、eDNAおよびその他の破片がフィルターに残った。 （マーク・ストックル、CC BY-ND） 増幅された各サンプルにタグを付け、サンプルをプールして、次世代シーケンシングのために送信しました。 ロックフェラー大学の科学者であり共著者であるZachary Charlop-Powersは、シーケンスの品質を評価し、各サンプルの一意のシーケンスと「読み取り番号」のリストを生成するバイオインフォマティックパイプラインを作成しました。 これは、一意の各シーケンスを検出した回数です。
種を特定するために、各固有の配列は、GenBankの公共データベースにある配列と比較されます。 私たちの結果は、魚の数に比例する読み取り数と一致していますが、eDNAと魚の豊富さの正確な関係については、より多くの作業が必要です。 たとえば、一部の魚は他の魚よりも多くのDNAを排出する場合があります。 魚の死亡率、水温、卵、幼魚と成体の影響も関係している可能性があります。
テレビ犯罪番組のように、eDNAの識別は包括的で正確なデータベースに依存しています。 パイロット研究では、GenBankデータベースから欠落している、または不完全または不一致の配列を持っている地元の種を特定しました。 同定を改善するために、モンマス大学の科学コレクション、および餌屋と魚市場から18種を表す31の標本をシーケンスしました。 この作業の大部分は、学生研究者であり、共著者であるリューボフ・ソボレバ、ニューヨーク市のジョン・ボーン高校の先輩によって行われました。 これらの新しい配列をGenBankに登録し、データベースのカバレッジを地元の種の約80％に増やしました。
マンハッタンの研究の収集サイト。 （マーク・ストックル、CC BY-ND） 私たちは魚や他の脊椎動物に焦点を合わせました。 他の研究グループは、水生eDNAアプローチを無脊椎動物に適用しています。 原則として、この手法は、特定の生息地におけるすべての動物、植物、微生物の多様性を評価できます。 水生動物の検出に加えて、eDNAは近くの流域の陸生動物を反映しています。 私たちの研究では、ニューヨーク市の水域で検出された最も一般的な野生動物は、一般的な都市住民である茶色のネズミでした。
将来の研究では、自律車両を使用して、遠隔地や深海のサイトを定期的にサンプリングし、海洋生物の多様性をよりよく理解して管理するのに役立つ可能性があります。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
ロックフェラー大学人間環境プログラム上級研究員、マーク・ストックル
