Уничтожающую коралловые рифы морскую звезду нашли с помощью тест-полосок
Австралийские ученые предложили использовать иммунохроматографические тест-полоски для определения ДНК морских звезд акантастеров в морской воде и мониторинга их численности. Акантастеры питаются кораллами и при вспышках численности уничтожают значительные участки коралловых рифов; постоянный мониторинг популяций помогает предотвращать такие вспышки. Тест-полоски оказались более чувствительным, дешевым и быстрым методом по сравнению с другими анализами ДНК и смогут заменить трудоемкие методы прямого наблюдения, которые используют сейчас. Статья опубликована в журнале Environmental DNA.
Терновый венец, или акантастер (Acanthaster planci) — морская звезда, которая питается полипами корралов. Одно животное съедает до 13 квадратных метров кораллов в год, и из-за регулярных вспышек их численности значительно сокращаются площади коралловых рифов, в том числе Большого Барьерного рифа.
Чтобы защитить рифы, ученые постоянно мониторят популяции терновых венцов, останавливают, а по возможности и предотвращают вспышки их численности. Обычно акантастеров считают дайверы, которых на буксире проводят над участком рифа. Этот метод трудоемок, не слишком точен и позволяет заметить всего 10-20 процентов терновых венцов.
Джейсон Дойл (Jason Doyle) и Свен Утике (Sven Uthicke) из Австралийского института морских наук разработали простой и точный способ определить присутствие терновых венцов. Они выявляли ДНК этих морских звезд в образцах воды с помощью иммунохроматографического анализа, или тест-полосок — по такому же принципу работают тесты на беременность или ВИЧ.
Образцы воды с двух точек Большого Барьерного рифа отфильтровывали на мембрану, затем для усиления сигнала проводили полимеразную цепную реакцию: фермент многократно копировал участки ДНК, которые соответствовали образцу — праймеру, - специфичному для акантастеров. На концах полученные копии ДНК находились метки, с помощью которых их обнаруживала тест-полоска.
Размноженные образцы с метками переносили на край иммунохроматографических полосок, при помощи капиллярных сил жидкость двигалась вверх по полоске. В инкубационной зоне метка на одном конце копий ДНК связывалась с углеродной наночастицей, затем в тестовой зоне вторая метка связывалась с антителами, и кусочки ДНК фиксировались в определенном участке полоски. Получался «сэндвич»: антитела на полоске, ДНК морской звезды и углеродная наночастица, — такие «сэндвичи» и формируют поперечную линию на тест-полоске. Вторая линия была контрольной, она связывала свободные наночастицы и по ее проявлению можно было судить, что тест прошел успешно и что образец попал в тестовую зону.
Эффективность теста для начала проверили на образцах с известной концентрацией ДНК акантастеров, для этого образцы выделили из аквариумных терновых венцов. Чувствительность тест-полосок оказалась выше, чем у двух других ПЦР-анализов (с детекцией в агарозном геле и цифровой капельной ПЦР): восемь из восьми тестов определили ДНК акантастеров в образе с семью копиями молекулы (0,11 пикограммов ДНК), и семь из восьми — в образце с двумя копиями (0,036 пикограммов ДНК).
Тест-полоски оказались также дешевле цифровой капельной ПЦР, чья чувствительность была почти столь же высокой: один иммунохроматографический тест стоит около восьми австралийских долларов, а цифровая ПЦР — около 16, при это на первый тест уходит три минуты, а на второй — семь.
ДНК терновых венцов обнаружили в 26 из 40 образцов воды, которые взяли у острова Лизард, и только в одном образце с рифа Элизабет. Дайверы, которые оценивали количество акантастеров в то же время, обнаружили мало морских звезд на острове Лизард и ни одной — на рифе Элизабет. Данные иммунохроматографического анализа, таким образом, отразили количество морских звезд, измеренное прямым наблюдением: при малом количестве акантатстеров их ДНК нашли в половине образцов, а увеличение доли положительных проб будет свидетельствовать о росте численности иглокожих. Значит, мониторинг можно осуществлять этим простым и дешевым лабораторным методом: он позволит обнаружить появление терновых венцов на рифе и увеличение их популяции и вовремя предотвращать вспышку численности.
Экологи давно используют ДНК из окружающей среды для оценки численности самых разных водных видов: например, по образцам морской воды ученые могут определить популяцию китовых акул и ее численность. Но тест-полоски для анализа таких образцов еще никто не применял — чаще их используют медики для определения различных вирусов, гормонов и даже уровня витаминов в крови.
Исследователи определили пол и индивидуальную принадлежность особей, оставивших следы
Американские зоологи нашли способ изучать белых медведей, не беспокоя их. Исследователи продемонстрировали, что из снега, собранного из следов этих хищников, можно извлечь достаточно генетического материала, чтобы определить пол и индивидуальную принадлежность особи, которая их оставила. Этот подход позволит исследовать перемещения и поведение белых медведей без лишнего стресса для них и без серьезных затрат. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Frontiers in Conservation Science. Изучение белых медведей (Ursus maritimus) — непростая задача, ведь они живут в труднодоступных частях Арктики и значительную часть жизни проводят на морском льду. Для сбора информации об этих хищниках зоологи, как правило, с вертолета стреляют дротиком со снотворным, после чего проводят с уснувшими животными все необходимые процедуры: измеряют их, взвешивают, собирают генетический материал и снабжают GPS-передатчиками для отслеживания перемещений. Однако эту стандартную практику в последнее время критикуют за то, что она подвергает медведей сильному стрессу и теоретически может быть опасной для их здоровья. Кроме того, из-за антропогенных изменений климата толщина морского льда в Арктике сокращается, так что найти подходящее место для посадки вертолета и работы целой команды ученых становится все труднее. Существует несколько альтернативных подходов к исследованию белых медведей, но ни один из них не идеален. Например, биопсия, которую проводят с вертолета, хотя и не предполагает усыпления животных, все равно вызывает у них беспокойство из-за шума. А сбор медвежьей шерсти для генетического анализа требует много усилий и далеко не всегда позволяет получить достаточно материала для исследований. Команда зоологов под руководством Эндрю фон Дюка (Andrew Von Duyke) из Департамента управления дикой природой в городе Уткиагвик на Аляске предложила метод изучения белых медведей, который не требует отлова этих животных, не представляет для них никакой угрозы и при этом позволяет собрать о них много ценной информации. Он основан на использовании экзогенной ДНК, которая содержится в окружающей среде, например, воздухе, воде и почве. В случае белых медведей это генетический материал из отмерших с поверхности лап клеток эпидермиса, которые зверь оставляет на снегу при ходьбе. Исследователи предположили, что, собрав образцы снега из медвежьих следов, можно выделить из них достаточно ДНК, чтобы по ней определить пол и индивидуальную принадлежность особи. Чтобы проверить эту идею, фон Дюк и его коллеги взяли образцы снега с тринадцати свежих следовых дорожек, оставленных белыми медведями на суше и ледовом припае у двух прибрежных деревень на севере Аляски (на каждой дорожке сбор проб осуществлялся с десяти отдельных отпечатков лап). При этом во время работ исследователи передвигались на снегоходах и не контактировали с медведями, благодаря чему удалось полностью исключить беспокойство этих хищников. Проанализировав собранный материал, авторы обнаружили митохондриальную ДНК белых медведей в образцах, собранных на одиннадцати дорожках из тринадцати. При этом в пробах с шести дорожек содержалось достаточно ядерной ДНК, чтобы провести генотипирование и определить индивидуальную принадлежность и пол особей. В результате выяснилось, что шесть следовых дорожек принадлежали одной самке и пяти разным самцам. При этом в контрольных пробах, которые были собраны за пределами отпечатков лап, медвежьего генетического материала не оказалось. Результаты исследования демонстрируют, что генетический анализ снега из следов белых медведей позволяет почти в половине случаев установить индивидуальную принадлежность и пол особи, которая их оставила. Это сравнимо с результатами, которые зоологи получают при анализе шерсти и фекалий этих хищников. Таким образом, анализ экзогенной ДНК из следов белых медведей на снегу может стать эффективным методом, с помощью которого будут исследовать перемещения и поведение представителей данного вида. Этот подход позволяет собрать много материала (поскольку медвежьи следы встречаются в Арктике часто), дешев и не опасен для животных. Из-за антропогенных изменений климата морской лед в Арктике тает все раньше и устанавливается все позже. В результате период, в течение которого белые медведи не могут охотиться и вынуждены голодать, теперь длится намного дольше, чем несколько десятилетий назад. В будущем ситуация только ухудшится. По оценкам зоологов, из-за нехватки морского льда к 2100 году большинство популяций белых медведей вымрут или окажутся на грани вымирания.
