Как экологическая РНК может дать нам представление о биоразнообразии пресной воды в режиме реального времени

от

Изменение климата и деятельность человека угрожают пресноводным экосистемам, таким как озёра и реки. Поэтому важно знать, как изменения влияют на населяющие их виды. Однако традиционные методы мониторинга, например отлов животных, сложны в реализации и могут не уловить быстрые изменения.

Что, если бы мы могли отслеживать жизнь, не отлавливая и не наблюдая за отдельными животными напрямую? Оказывается, это возможно благодаря анализу ДНК и РНК, которые они оставляют в воде.

Каждое живое существо оставляет в окружающей среде крошечные следы — клетки кожи, отходы или микроскопические фрагменты, которые мы не можем увидеть. Эти фрагменты содержат генетический материал, уникальный для каждого вида на Земле.

Когда учёные берут пробу воды, почвы или фильтруют воздух, они фактически собирают так называемую экологическую ДНК (eDNA) или РНК (eRNA), которая может рассказать нам, какие виды (или были) присутствуют на данной территории.

Недавние исследования показали

Недавние исследования показали, что эРНК, ранее считавшаяся слишком нестабильной для использования в полевых условиях, может быть надёжно обнаружена в пресноводных экосистемах. Молекулы ДНК требуют времени, чтобы полностью исчезнуть в водной среде. Это означает, что эДНК может происходить от организмов, живущих там сейчас, или от тех, которые исчезли несколько недель назад.

Однако РНК быстро разрушается. Эта хрупкость оказывается преимуществом: она даёт нам моментальный снимок того, что живо и активно в данный момент, предлагая новый мощный способ отслеживания живых организмов в режиме реального времени.

Эксперименты в резервуаре

В природном заповеднике Голт Университета Макгилла исследователи используют Большую экспериментальную систему водоёмов (LEAP): 96 резервуаров, каждый из которых вмещает около 1000 литров воды, взятой из близлежащего озера Эртл.

Мезокосмы — это созданные человеком открытые резервуары, которые имитируют реальную пресноводную экосистему. Они достаточно велики, чтобы включать микробов, планктон и природную воду, но при этом контролируемы, что позволяет учёным тестировать изолированные факторы и повторять эксперименты.

В нашем исследовании мы работали с большими мезокосмами в LEAP. Мы добавили раствор, содержащий только ДНК и РНК водяных блох (Daphnia pulex), распространённого пресноводного организма, отсутствующего в озере Эртл, в водный мезокосм без самих блох.

Это позволило нам отследить, как эДНК и эРНК ведут себя с течением времени после попадания в воду. Мы последовательно переносили 10% объёма воды в следующие мезокосмы, пока не достигли разведения раствора эДНК и эРНК в 10 000 раз. Мы собирали пробы воды сразу после добавления раствора в первые резервуары и продолжали в течение 24 дней, всего девять раз.

Мы использовали цифровую ПЦР для измерения того, как изменялась концентрация ДНК и РНК с течением времени. Этот высокочувствительный метод может обнаруживать очень низкие концентрации генетического материала.

Мы также протестировали различия между типами РНК: матричная РНК (мРНК), которая несёт недолговечные инструкции, сообщающие клеткам, как создавать белки, и рибосомальная РНК (рРНК), которая является частью клеточного механизма создания белков и более стабильна.

Мы обнаружили, что РНК разрушается гораздо быстрее, чем ДНК, после попадания в воду. Интересно, что мы наблюдали различия между типами РНК: мРНК разрушалась быстрее, чем рРНК.

Тем не менее мы смогли обнаружить как ДНК, так и РНК даже после того, как вода была разбавлена в 10 000 раз. Это демонстрирует, что, хотя РНК быстро разрушается, чувствительные инструменты, такие как цифровая ПЦР, всё ещё могут её обнаружить, показывая её потенциал для отслеживания активной жизни в пресноводных системах.

Наше исследование демонстрирует, что экологическая РНК — молекула, которая исчезает вскоре после смерти организма, — может выявить недавнюю биологическую активность в режиме реального времени. В частности, мРНК, наиболее хрупкая РНК, может дать более полное представление об активной жизни в водных системах.

Экологическая РНК может выявить не только то, какие виды в настоящее время живы, но и их состояние здоровья или даже стадию жизни. Например, одно исследование показало, что изменения в активности генов, вызванные тепловым стрессом, могут быть обнаружены в мРНК из воды, что даёт информацию о здоровье организмов в экосистемах.

Другое исследование показало, что эРНК может различать головастиков и взрослых земноводных, что позволяет отслеживать стадии жизни в дикой природе без необходимости отлова животных.

Эти результаты позволяют предположить, что эРНК может стать мощным неинвазивным инструментом для мониторинга биоразнообразия. При дальнейшем исследовании экологическая РНК может помочь нам не только отслеживать жизнь в пресноводных экосистемах, но и выявить, как виды адаптируются в быстро меняющемся мире.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте