Akvatiska makroryggradslösa DNA-streckkodning

DNA-streckkodning är en alternativ metod till den traditionella morfologiska taxonomiska klassificeringen , och har ofta använts för att identifiera arter av vattenlevande makroryggradslösa djur (allmänt ansett de som är tillräckligt stora för att ses utan förstoring). Många är avgörande indikatororganismer i biobedömningen av sötvatten (t.ex.: Ephemeroptera , Plecoptera , Trichoptera ) och marina (t.ex. Annelida , tagghudingar , blötdjur ) ekosystem.

Sedan dess introduktion har området för DNA-streckkodning mognat för att överbrygga klyftan mellan traditionell taxonomi och molekylär systematik. Denna teknik har förmågan att tillhandahålla mer detaljerad taxonomisk information, särskilt för kryptiska, små eller sällsynta arter. DNA-streckkodning involverar specifik inriktning av genregioner som finns och bevaras i de flesta djurarter, men som har stor variation mellan medlemmar av olika arter. Exakt diagnos beror på låg intraspecifik variation jämfört med den mellan arter, en kort DNA-sekvens såsom Cytokrom Subunit Oxidase I-genen (COI), skulle möjliggöra exakt allokering av en individ till ett taxon .

Metodik

Medan konceptet att använda DNA-sekvensdivergens för artdiskriminering har rapporterats tidigare, har Hebert et al. (2003) var pionjärer i att föreslå standardisering av DNA-streckkodning som en metod för att molekylärt särskilja arter.

Provtagning för DNA-streckkodning skiljer sig inte från de traditionella metoderna, förutom att proverna ska förvaras i hög koncentration (>70 %) etanol. Det har indikerats att det typiska protokollet att lagra bentiska prover i formalin har en negativ effekt på DNA-integriteten.

Nyckelkonceptet för streckkodning av makroryggradslösa djur är korrekt urval av DNA-markörer (DNA-streckkodsregion) för att amplifiera lämpliga genregioner, med hjälp av PCR -tekniker. DNA-streckkodsregionen måste vara idealiskt bevarad inom en art, men variera mellan olika (även närbesläktade) arter och därför bör dess sekvens fungera som en artspecifik genetisk tagg. Därför spelar valet av markören en viktig roll. Cytokrom Subunit Oxidase I-genen (COI) är en av de mest använda markörerna vid streckkodning av makroinvertebrater. Andra markörer som kan användas är ribosomala RNA-gener 16S och 18S .

Dessutom är det användbart att sortera ryggradslösa djur i olika storlekskategorier, eftersom exemplar i ett prov kan variera kraftigt i biomassa, beroende på art och livsstadium.

För ytterligare information om metoder se DNA-streckkodning .

DNA-metabarcoding

På grund av det betydande antalet taxa som utgör vattenlevande makroinvertebratsamhällen, används DNA- metabarcoding -metoden i allmänhet för att bedöma distinkta taxa inom bulk- eller vattenprover. DNA-metabarcoding är en metod som består av samma arbetsflöde som DNA-streckkodning , kännetecknad av användningen av HTS -tekniker (High-throughput Sequencing) . Potentialen för DNA-metabarcoding vid bedömning och övervakning av olika taxonomiska grupper har framgångsrikt demonstrerats i flera studier. Många forskare har använt metabarcoding metoder för att klassificera bentiska makroryggradslösa djur från vävnadsprover, vilket indikerar dess genomförbarhet och högre känslighet från klassiska taxonomimetoder. Andra validerar användningen av nästa generations sekvenseringsteknik (NGS) i miljöprover för att utvärdera vattenkvaliteten i marina ekosystem och i studier av biologisk mångfald i sötvatten, inklusive bedömning av makroinvertebratarter. Tillämpningar av dessa teknologier i miljöprover ökar ständigt. De flesta av de senaste studierna är baserade på avancerade eDNA- metoders implementering, fältvalidering, plattforms- och streckkodsval eller databasbegränsningar.

Ansökan och utmaningar

Makroinvertebrater (meta)streckkodningsmetoder används ofta i:

Bedömning av biologisk mångfald. På grund av det stora antalet makroinvertebratarter är provbearbetning (sortering och identifiering) mödosam och ofta svår uppgift som kan leda till fel under bedömningen.
Miljöövervakningsprogram . Makroryggradslösa djur inom samma system kan vara bosatta från flera månader till flera år, beroende på varje organisms livslängd. Följaktligen lever makroinvertebratsamhällen i akvatiska ekosystem tillräckligt länge för att återspegla de kroniska effekterna av föroreningar och ändå korta nog för att svara på relativt akuta förändringar i vattenkvaliteten. På grund av den begränsade rörligheten hos makroryggradslösa djur och deras relativa oförmåga att ta sig bort från ogynnsamma förhållanden, kan platsen för kroniska föroreningskällor ofta fastställas genom att jämföra samhällen av dessa organismer.
Detektion av främmande arter . Tillämpningen av eDNA och (meta) streckkodstekniker ökar ständigt i studier av invasionsprocesser.
Artidentifiering. Identifiering på 'artsnivå' kräver en hög nivå av taxonomisk expertis. Olika utvecklingsstadier av makroryggradslösa djur är ofta svåra att identifiera morfologiskt, även för experter, särskilt på grund av bristen på lämpliga identifieringsnycklar för vattenlevande makroryggradslösa djur . För vissa akvatiska ryggradslösa djur taxa till exempel, är taxonomisk identifiering endast möjlig för hanar och vissa sena instars, men kopplingen av streckkodning med traditionell taxonomi ger en robust ram för biologisk identifiering. Ofta kan arter inte identifieras eftersom de är morfologiskt kryptiska, liknande eller representerar mindre kända grupper. Det har föreslagits att en kombinerad analys av morfologiska och molekylära data skulle kunna ge den bästa lösningen i vad som kallas "integrativ taxonomi". Antalet studier har använt streckkods- eller metabarcoding-metoder på olika grupper, till exempel Odonates, specifikt trollsländor (Anisoptera) och damselflies (Zygoptera), med rekommendation att använda kombination av markörer.
Stressrespons. Enskilda sötvattensryggradslösa arter, ofta sammanslagna till en högre taxonomisk nivå för bioövervakningsändamål, kan skilja sig avsevärt i sin tolerans mot stressfaktorer och reagera på mer komplexa sätt än vad som observerats på släktnivå. Identifieringar baserade på DNA-streckkodning har potential att förbättra upptäckten av små förändringar i strömförhållandena. Nyligen genomförda resultat visade att DNA-streckkodning kan öka taxonomisk upplösning och därmed öka känsligheten för biobedömningsmått.

Det finns också många utmaningar när det kommer till genetisk streckkodning av vattenlevande makroinvertebrater:

Referensbibliotek . Tillgängligheten av referensbibliotek med DNA-streckkoder är mycket viktig för artidentifieringen.
Saknade arter i databaser. Information om befintliga arter är vanligtvis inte komplett eller korrelerad med ekologiska parametrar som djup, provtagningsteknik, salthalt etc.
Validering av datakvalitet . Databasernas register är ofta inte kurerade.
Föråldrad taxonomi . Arter i databaser kan ibland namnges med föråldrad taxonomi (t.ex. synonymer).
Kvantitativ mätning av arternas mångfald (uppskattning av biomassa och förekomst av arter).
Saknar DNA-information . Arter i tidigare litteratur identifieras endast av taxonomiska egenskaper som det inte finns några DNA-prover för att bekräfta.
Tekniska utmaningar måste tas i beaktande, såsom behovet av att tillämpa olika protokoll när man arbetar med olika organismer, val av lämpliga DNA-streckkodningsmarkörer, primerdesign (identifiering av konserverade regioner lämpliga som primerbindningsställen, utvärdering av den taxonomiska täckningen och förmågan hos de förstärkta regionerna att lösa taxa på familjenivå, etc.).
Kostnader relaterade till sekvensering.

Se även