Die Anzahl und genetische Vielfalt von Walhaien, gemessen an Wasserproben • Elena Naimark • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Bioinformatik, Genetik, Ichthyologie

Die Anzahl und genetische Diversität von Walhaien, gemessen an Wasserproben

Gewöhnlich sind Walhaie – die größten Fische der Welt – ruhig und erlauben es den Menschen in der Nähe zu schwimmen und sich sogar selbst zu berühren. Foto von playadelcarmen.com

Ein internationales Team von Zoologen und Bioinformatikern hat erfolgreich eine relativ einfache und kostengünstige Methode zur Bewertung der genetischen Vielfalt von Wassertieren angewandt. Der Gegenstand ihres Interesses war der Walhai, eine Art, die offensichtlich gefährlich und für direkte Probennahme schwer zu erreichen ist; zur gleichen Zeit von bekanntem Interesse für Biologen auf dem Gebiet der Erhaltung gefährdeter Arten. Wissenschaftler haben gezeigt, dass es möglich ist, die genetische Vielfalt und die Anzahl der Haie mit großer Zuverlässigkeit zu ermitteln, indem sie ihre DNA aus Wasserproben isolieren, wo sie sich in großen Gruppen sammeln. Die Methode funktioniert ohne offensichtliche Fehler und zeigt eine Sorte, die durch direkte Analyse von Gewebeproben nicht zugänglich ist.

Im Zusammenhang mit der Verbreitung und Verbilligung der Metagenomik wurde eine der interessantesten Richtungen entwickelt: die Exogenomik der Arten. Dies ist eine Methode, um die DNA einer bestimmten Spezies in einer bestimmten Umgebung zu erkennen und dementsprechend ihre Umweltpräferenzen, genetische Vielfalt usw. zu klären.In der aquatischen Umwelt lebt die DNA nicht zu lange, nicht mehr als einen Monat, so dass die Entdeckung der DNA des einen oder anderen Typs auf ihre jüngste Anwesenheit hinweist. Praktischerweise kann man nichts sagen: man kann, ohne jedes Individuum zu jagen und nicht die Berechnungen seiner Vertreter zu machen, Fotografien und Gewebeproben erhalten, beweisen, dass die Vertreter der Spezies diesen Ort besucht haben und eine kurze Erinnerung in Form von DNA hinterließen, sei es DNA aus Fäkalien , Urin oder andere Sekrete, schuppige Haut oder irgendein anderes exogenes Material. Diese DNA wird als Umwelt-DNA (oder exogene DNA, eDNA) bezeichnet. In der russischen wissenschaftlichen Literatur gibt es keinen etablierten Begriff, aber der Kürze halber werden wir es Exo-DNA nennen (aus "exogener DNA").

Dieser neue Bereich der Genomik ist besonders für Spezialisten von Arten interessant, die im Roten Buch aufgeführt sind. In der Tat werden sie nur selten in natürlichen Lebensräumen gesehen, und ihre genetische Vielfalt ist noch schwieriger einzuschätzen, und im Fall von beispielsweise dem Walhai (Rhincodon typus), die als Forschungsziel für eine Gruppe von Biologen unter der Leitung von Philip Francis Thomsen vom Museum of Natural History in Kopenhagen diente, ist ebenfalls gefährlich. Seit März 2016 hat diese Art den Status einer vom Aussterben bedrohten Art.

Der Walhai ist der größte Fisch auf dem Planeten, seine Länge erreicht 20 Meter und sein Gewicht beträgt 34 ​​Tonnen. Es ernährt sich von Plankton, filtert Wasser durch die Kiemenschlitze, es kann signifikante vertikale Wanderungen nach Planktonansammlungen (siehe. Wie Walhaie sich ernähren, Elementy, 28. September 2005), sowie tausende Kilometer trans-ozeanische Wanderungen durchführen.

Die weltweite Zahl der Walhaie ist nach groben Schätzungen von einigen Dutzend bis zu den ersten Hunderttausenden von Individuen. Abschätzungen der Häufigkeit werden durch markierte Exemplare, durch Zählung von Haifischgruppen an bestimmten Orten, durch Photoidentifikation einzelner Exemplare in einer Reihe von Beobachtungen durchgeführt. Die Daten zu Migrationen von Haien und mtDNA weisen auf die relative Isolierung von zwei Haupt-Subpopulationen hin: in den warmen Gewässern des Atlantiks und im westlichen Teil der indopazifischen Region. Bei einer so kleinen Anzahl der Weltbevölkerung schmälert theoretisch die Isolierung ihrer einzelnen Teile die bereits geringe genetische Vielfalt. Und das reduziert natürlich die Überlebenschancen dieser grandiosen Art in jeder Hinsicht. Die Zahlentrends in beiden Subpopulationen sind traurig: Der atlantische Anteil ist seit 2000 um etwa 30% und der pazifische – nach verschiedenen Schätzungen um 63-87% – zurückgegangen.Daher ist es für Fachleute, die sich mit dem Schutz von Walhaien befassen, hilfreich, ein genaueres Verständnis der genetischen Vielfalt der Arten zu haben. Aber wie geht das? Selbst die Zahl ist nicht einfach abzuschätzen, geschweige denn die repräsentative DNA-Probe. Hier kam die ExoDNA-Methode zum Einsatz.

Walhaie sammeln sich an bestimmten Orten in erheblichen Konzentrationen. Gruppen von 1100 oder mehr sind registriert, wie zum Beispiel im Februar 2016 im Golf von Mexiko. Höchstwahrscheinlich schwimmen Haie zu Fütterungs- und Brutplätzen. Aber in diesem Fall ist es egal. Es ist wichtig, dass in den Wasserproben, die an den Orten solcher Treffen entnommen werden, die DNA der meisten dieser Individuen identifiziert werden kann. Und dann bleiben PCR-Techniken übrig, um diese DNA zu isolieren und zu analysieren.

Proben (insgesamt 20) wurden 2013-2014 während Expeditionen im Persischen Golf in den Gewässern von Katar in der Nähe des Ölfelds Al-Shahin gesammelt. Hier wurden täglich Gruppen von etwa 200 Individuen beobachtet, in denen etwa zwei Mal mehr Männchen als Weibchen vorkamen.

DNA aus den Proben wurde amplifiziert, der Hai-Teil wurde aus der Gesamtmenge isoliert und daraus zwei mtDNA-Regionen, die sich laut früheren genetischen Untersuchungen als polymorph erwiesen. Zusätzlich wurden 61 Hai-Gewebeproben entnommen.Es ist klar, dass das Sammeln von Proben von lebenden Haien ein gefährliches und wesentlich schwierigeres Unterfangen ist, als nur Wasserproben zu sammeln. Aber es ist notwendig, da die Wissenschaftler nachweisen mussten, dass Wasserproben nicht schlechter als die Gewebe selbst sind, und dies erforderte Material zum Vergleich. Schließlich ist dies die erste Studie, die die Zuverlässigkeit der ExoDNA-Erkennung der genetischen Vielfalt einer Population nachweisen sollte.

Das Zahlenverhältnis von Haplotypen zu Geweben entsprach dem von Wasser: das bedeutet direkt, dass die Methode funktioniert! Und Sie können die Haie (oder jemand anderes, nicht so sanftmütig und zuverlässig) mit einer Spritze und einer Flasche nicht jagen, sondern um mehr Wasser zu bekommen, wo sie schwimmen. Eine Vielzahl von Wasserproben erwies sich übrigens als höher als Gewebeproben. Aber das war zu erwarten, weil Gewebeproben nicht von der gesamten Haipopulation von Al-Sheehan, sondern von einigen ihrer Teile entnommen wurden. Es gab zwar wenige neue Möglichkeiten.

Zwei polymorphe Stellen DL1 und DL2, die das quantitative Verhältnis der identifizierten Varianten (Haplotypen) zeigen. Drei Datensätze enthalten die Ergebnisse von Exo-DNA und DNA aus 61 Haifischgewebeproben sowie Informationen aus verfügbaren globalen Datenbanken.Die Plots aus dem Artikel in Diskussion Natur Ökologie und Evolution

Natürlich musste ich, um diese großartige Schlussfolgerung zu bestätigen, prüfen, ob methodische Fehler vorlagen. Sie können auftreten, wenn DNA während der Lagerung beschädigt wird, statistische Fehler bei der Analyse langer und kurzer Sequenzen, die Identifizierung neuer Varianten aufgrund von Lesefehlern oder anderen Defekten (die sogenannte falsche positive Reaktion). Dazu wurden Testproben mit bekannten Haplotypen hergestellt und alle relevanten Analysen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der Fehler beim Nachweis der genetischen Diversität durch exoDNA weniger als 5% beträgt.

Was sind die Aussichten für eine solche Methode, abgesehen von den bereits offensichtlichen Vorteilen? Die Wissenschaftler stellten Berechnungen der Haifischpopulationen im westlichen Teil der Indopazifischen Region anhand von Exo-DNA-Daten vor und verglichen sie mit den verfügbaren Schätzungen. Das Ergebnis der Exo-DNA zeigte eine gute Übereinstimmung mit anderen Methoden – die effektive Populationsgröße ist die ersten hunderttausend Individuen oder etwas weniger.

Interessanterweise wurden Daten über Exo-DNA auch verwendet, um die Häufigkeit mehrerer Arten in einer Region zu schätzen. Dies ist nützlich für den Aufbau von Modellen für trophische Beziehungen oder Räuber-Beute-Modelle, wenn quantitative Daten für verschiedene Arten benötigt werden.Die Wissenschaftler maßen die Anzahl der Hai-Exo-DNA in Wasserproben und verglichen sie mit der Häufigkeit von ExoDNA-Thunfisch in den gleichen Gewässern.

Es wird vermutet, dass der Walhai Thunfischlaich frisst, daher taucht er in den Laichplätzen dieses massiven pelagischen Fischs auf. Es ist zu erwarten, dass der Überfluss an Thunfisch und Haien in direktem Zusammenhang steht. Gemessen an der Anzahl der Exo-DNAs beider Spezies ist dies genau der Fall Je mehr Thunfisch in den Gewässern ist, desto mehr Haie gibt es. Es ist interessant festzustellen, dass es für diese Schlussfolgerung nicht notwendig ist, Haie zu beobachten – die Wissenschaftler bemerkten ihre Anwesenheit nur, wenn ihre Anzahl hoch war (orange Punkte in der Grafik). Somit können die Korrelationen der Häufigkeiten von zwei oder mehreren Arten auch durch die Häufigkeit von exoDNA in Wasser abgeschätzt werden. Für korrekte Schätzungen ist es natürlich erforderlich, die Geschwindigkeit der DNA-Zersetzung unter geeigneten Bedingungen zu kennen, aber dies sind bereits die einfachsten Experimente.

Das Verhältnis der relativen Menge an ExoDNA von kleinem Ost-Thunfisch (Euthynnus affinis) und Walhaie an Probenahmestellen in verschiedenen Jahren. Orange Abzeichen Punkte, die den Hai-Beobachtungspunkten entsprechen, sind markiert. Zeitplan von Artikel in der Diskussion Natur Ökologie und Evolution

Diese Studie wird natürlich alle interessieren, die eng mit der Erhaltung der Vielfalt der Walhaie befasst sind. Aber mehr – ich würde gerne glauben – es wird die an der Bewertung der biologischen Vielfalt Beteiligten anziehen. Jetzt Biodiversität beurteilt wird, nicht nur durch die Fülle von Individuen, wie die Vielfalt des Genpools einer Population oder Spezies. Und die Anzahl und Vielfalt der exo-DNA stellt eine direkte Bewertung dieses Indikators dar, der relativ leicht zugänglich und billig ist. Es ist nur notwendig zu lernen, diesen Indikator sorgfältig zu verwenden.

Quellen:
1) Eva Egelyng Sigsgaard, Ida Broman Nielsen, Steffen Sanvig Bach, Eline D. Lorenzen, David Philip Robinson, Steen Wilhelm Knudsen, Mikkel Winther Pedersen, Mohammed Al Jaidah, Ludovic Orlando, Eske Willerslev, Peter Rask Møller und Philip Francis Thomsen. Schieferaggregation, abgeleitet von Umwelt-Meerwasser-Umwelt-DNA // Natur Ökologie und Evolution. 2016. DOI: 10.1038 / s41559-016-0004.
2) Jelder Herder, Alice Valentini, Eva Bellemain, Tony Dejean, Jeroen van Delft, Philip Francis Thomsen und Pierre Taberlet. Umwelt-DNA – eine Überprüfung der möglichen Anwendungen für den Nachweis von (invasiven) Arten – eine interessante Übersicht über ekzoDNK.

Elena Naimark


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