Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть серии по
Штрих-кодирование ДНК
DNA Barcoding.png
 
Штрих- кодирование ДНК Метабар- кодирование

 
По таксонам
Другой

Штриховое кодирование ДНК - это метод, альтернативный традиционной морфологической таксономической классификации , который часто используется для идентификации видов водных макробеспозвоночных (обычно считающихся достаточно крупными, чтобы их можно было увидеть без увеличения). Многие из них являются важнейшими индикаторными организмами при биооценке пресноводных (например, Ephemeroptera , Plecoptera , Trichoptera ) и морских (например, Annelida , Echinoderms , Molluscs ) экосистем.

С момента своего появления область штрих-кодирования ДНК созрела, чтобы преодолеть разрыв между традиционной таксономией и молекулярной систематикой. Этот метод позволяет получить более подробную таксономическую информацию, особенно для загадочных, мелких или редких видов. Штрих-кодирование ДНК включает специфическое нацеливание на участки генов, которые обнаруживаются и сохраняются у большинства видов животных, но сильно варьируются между представителями разных видов. Точный диагноз зависит от низкой внутривидовой вариабельности по сравнению с таковой между видами, короткая последовательность ДНК, такая как ген цитохромной субъединицы оксидазы I (COI), позволит точно отнести особь к таксону .

Методология [ править ]

Хотя о концепции использования дивергенции последовательностей ДНК для различения видов сообщалось ранее, Hebert et al. (2003) были пионерами, предложившими стандартизацию штрих-кодирования ДНК как метода молекулярного различения видов. [1]

Сбор образцов для штрих-кодирования ДНК не отличается от традиционных методов, за исключением того, что образцы должны храниться в этаноле высокой концентрации (> 70%). [2] Было указано, что типичный протокол хранения проб бентоса в формалине отрицательно влияет на целостность ДНК. [3]

Ключевой концепцией штрих-кодирования макробеспозвоночных является правильный выбор ДНК-маркеров (области штрих-кода ДНК) для амплификации соответствующих участков гена с использованием методов ПЦР . Область штрих-кода ДНК должна быть идеально консервативной в пределах одного вида, но изменяться у разных (даже близкородственных) видов, и, следовательно, ее последовательность должна служить в качестве генетической метки для конкретного вида. Поэтому выбор маркера играет важную роль. [4] Ген цитохромной субъединицы оксидазы I (COI) - один из наиболее широко используемых маркеров при штрих-кодировании макробеспозвоночных. Другими маркерами, которые можно использовать, являются гены рибосомной РНК 16S и 18S .

Более того, сортировка беспозвоночных по категориям разного размера полезна, поскольку образцы в выборке могут сильно различаться по биомассе в зависимости от вида и стадии жизни. [5]

Дополнительные сведения о методах см. В разделе « Штрих-кодирование ДНК» .

Метабаркодирование ДНК [ править ]

Из-за значительного количества таксонов, которые составляют сообщества водных макробеспозвоночных, метод метабаркодирования ДНК обычно используется для оценки отдельных таксонов в объемных пробах или пробах воды. Метабаркодирование ДНК - это метод, который состоит из того же рабочего процесса, что и штрих-кодирование ДНК , но отличается использованием технологий высокопроизводительного секвенирования (HTS) . Возможности метабаркодирования ДНК в оценке и мониторинге различных таксономических групп были успешно продемонстрированы в нескольких исследованиях. [6] [7] Многие исследователи использовали методы метабаркодирования для классификации донных макробеспозвоночных по образцам тканей, [8]что указывает на его осуществимость и более высокую чувствительность по сравнению с методами классической таксономии. Другие подтверждают использование технологий секвенирования следующего поколения (NGS) в пробах окружающей среды для оценки качества воды в морских экосистемах [9] и в исследованиях биоразнообразия пресной воды [10], включая оценку видов макробеспозвоночных. Применение этих технологий в пробах окружающей среды постоянно расширяется. [11] Большинство недавних исследований основано на продвижении внедрения подходов eDNA , проверке на местах, выборе платформы и штрих-кода или ограничениях базы данных. [12]

Применение и проблемы [ править ]

Методы штрих-кодирования макробеспозвоночных (мета) часто используются в:

  • Оценка биоразнообразия. Из-за большого количества видов макробеспозвоночных обработка образцов (сортировка и идентификация) является трудоемкой и часто сложной задачей, которая может привести к ошибкам во время оценки. [13]
  • Программы экологического мониторинга . Макробеспозвоночные в пределах одной системы могут проживать от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от продолжительности жизни каждого организма. Следовательно, сообщества макробеспозвоночных обитают в водных экосистемах достаточно долго, чтобы отражать хроническое воздействие загрязнителей, и в то же время достаточно коротко, чтобы реагировать на относительно резкие изменения качества воды. Из-за ограниченной мобильности макробеспозвоночных и их относительной неспособности уйти от неблагоприятных условий местоположение хронических источников загрязнения часто можно точно определить, сравнивая сообщества этих организмов.
  • Обнаружение чужеродных видов . Применение методов eDNA и (мета) штрих-кодирования постоянно расширяется в исследованиях процессов инвазии. [14]
  • Идентификация видов. Идентификация на уровне «вид» требует высокого уровня таксономической экспертизы. Различные стадии развития макробеспозвоночных часто сложно идентифицировать морфологически даже специалистам , особенно из-за отсутствия соответствующих идентификационных ключей для водных макробеспозвоночных [15] . Например, для некоторых таксонов водных беспозвоночных таксономическая идентификация возможна только для самцов и некоторых более поздних возрастов, но сочетание штрих-кодирования с традиционной таксономией обеспечивает надежную основу для биологической идентификации. [16] Часто виды не могут быть идентифицированы, поскольку они морфологически непонятны, похожи или представляют менее известные группы. [17]Было высказано предположение, что комбинированный анализ морфологических и молекулярных данных может обеспечить лучшее решение для так называемой «интегративной таксономии». [18] В ряде исследований использовались подходы штрих-кодирования или метабаркодирования к различным группам, например одонатам, в частности стрекозам (Anisoptera) и стрекозам (Zygoptera), с рекомендацией использовать комбинацию маркеров. [19]
  • Стресс-реакция. Отдельные виды пресноводных беспозвоночных, часто объединенные с более высоким таксономическим уровнем для целей биомониторинга, могут существенно различаться по своей устойчивости к стрессорам и реагировать более сложным образом, чем это наблюдается на уровне рода. [20] Идентификация, основанная на штрих-кодировании ДНК, может улучшить обнаружение небольших изменений в условиях водотока. Недавние результаты показали, что штрих-кодирование ДНК может повысить таксономическое разрешение и, таким образом, повысить чувствительность показателей биооценки. [21]

Когда дело доходит до генетического штрих-кодирования водных макробеспозвоночных, возникает также много проблем :

  • Справочные библиотеки . Наличие справочных библиотек штрих-кодов ДНК очень важно для идентификации видов. [22]
  • В базах данных отсутствуют виды. Информация о существующих видах обычно не является полной или не коррелирует с экологическими параметрами, такими как глубина, метод отбора проб, соленость и т. Д.
  • Проверка качества данных . Записи в базах данных часто не проверяются.
  • Устаревшая таксономия . Иногда виды в базах данных могут иметь устаревшую таксономию (например, синонимы).
  • Количественное измерение видового разнообразия (оценка биомассы и численности видов).
  • Отсутствие информации о ДНК . Виды в более ранней литературе идентифицируются только по таксономическим признакам, для подтверждения которых не существует образцов ДНК.
  • Необходимо принимать во внимание технические проблемы , такие как необходимость применения разных протоколов при работе с разными организмами, выбор подходящих маркеров штрих-кодирования ДНК, дизайн праймера (идентификация консервативных областей, подходящих в качестве сайтов связывания праймеров, оценка таксономического охвата и способность амплифицированных регионов разрешать таксоны на уровне семейства и т. д.).
  • Затраты, связанные с секвенированием.

См. Также [ править ]

  • Штрих-кодирование ДНК
  • Штрих-кодирование ДНК рыб
  • Штрих-кодирование ДНК водорослей
  • ПЦР
  • Последовательность действий

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хеберт, Пол DN; Цивинская, Алина; Болл, Шелли Л .; ДеВаард, Джереми Р. (07.02.2003). «Биологическая идентификация с помощью штрих-кодов ДНК» . Труды Лондонского королевского общества. Серия B: Биологические науки . 270 (1512): 313–321. DOI : 10.1098 / rspb.2002.2218 . ISSN  1471-2954 . PMC  1691236 . PMID  12614582 .
  2. ^ Штейн, Эрик Д .; Уайт, Брайан П .; Mazor, Raphael D .; Миллер, Питер Э .; Пилигрим, Эрик М. (2013). «Оценка сохранности образцов на основе этанола для облегчения использования штрихкодирования ДНК в повседневных программах биомониторинга пресной воды с использованием донных макробеспозвоночных» . PLOS ONE . 8 (1): e51273. DOI : 10.1371 / journal.pone.0051273 . PMC 3537618 . PMID 23308097 .  
  3. ^ Бэрд, Дональд Дж .; Паско, Тимоти Дж .; Чжоу, Синь; Хаджибабаей, Мехрдад (март 2011 г.). «Создание библиотек ДНК-штрих-кодов пресноводных макробеспозвоночных на основе эталонного коллекционного материала: сохранение формалина против возраста образца». Журнал Североамериканского бентологического общества . 30 (1): 125–130. DOI : 10.1899 / 10-013.1 . ISSN 0887-3593 . 
  4. ^ Андухар, Кармело; Аррибас, Паула; Грей, Клэр; Брюс, Кэтрин; Вудворд, Гай; Ю, Дуглас В .; Фоглер, Альфрид П. (январь 2018 г.). «Метабаркодирование пресноводных беспозвоночных для обнаружения последствий разлива пестицидов». Молекулярная экология . 27 (1): 146–166. DOI : 10.1111 / mec.14410 . ЛВП : 10044/1/58144 . PMID 29113023 . 
  5. ^ Эльбрехт, Васко; Пайнерт, Бьянка; Лиз, Флориан (сентябрь 2017 г.). «Разбирая вещи: оценка влияния неодинаковой биомассы образца на метабаркодирование ДНК» . Экология и эволюция . 7 (17): 6918–6926. DOI : 10.1002 / ece3.3192 . PMC 5587478 . PMID 28904771 .  
  6. ^ Lejzerowicz, Franck; Эслинг, Филипп; Pillet, Loïc; Wilding, Thomas A .; Блэк, Кеннет Д.; Павловский, янв (ноябрь 2015 г.). «Высокопроизводительное секвенирование и морфология одинаково хорошо подходят для бентического мониторинга морских экосистем» . Научные отчеты . 5 (1): 13932. DOI : 10.1038 / srep13932 . ISSN 2045-2322 . PMC 4564730 . PMID 26355099 .   
  7. ^ Эльбрехт, Васко; Вамос, Екатерина Эдит; Мейснер, Кристиан; Аровиита, Юкка; Лиз, Флориан (октябрь 2017 г.). Ю, Дуглас (ред.). «Оценка сильных и слабых сторон идентификации макробеспозвоночных на основе метабаркодирования ДНК для рутинного мониторинга потока» . Методы экологии и эволюции . 8 (10): 1265–1275. DOI : 10.1111 / 2041-210X.12789 .
  8. ^ Кэрью, Мелисса Э; Петтигроув, Винсент Дж; Метцлинг, Леон; Хоффманн, Ари А (2013). «Экологический мониторинг с использованием секвенирования следующего поколения: быстрая идентификация биоиндикаторов макробеспозвоночных» . Границы зоологии . 10 (1): 45. DOI : 10,1186 / 1742-9994-10-45 . ISSN 1742-9994 . PMC 3750358 . PMID 23919569 .   
  9. ^ Lejzerowicz, Franck; Эслинг, Филипп; Pillet, Loïc; Wilding, Thomas A .; Блэк, Кеннет Д.; Павловский, янв (ноябрь 2015 г.). «Высокопроизводительное секвенирование и морфология одинаково хорошо подходят для бентического мониторинга морских экосистем» . Научные отчеты . 5 (1): 13932. DOI : 10.1038 / srep13932 . ISSN 2045-2322 . PMC 4564730 . PMID 26355099 .   
  10. ^ Дейнер, Кристи; Fronhofer, Emanuel A .; Мехлер, Эльвира; Вальзер, Жан-Клод; Альтерматт, Флориан (декабрь 2016 г.). «Экологическая ДНК показывает, что реки - это конвейеры информации о биоразнообразии» . Nature Communications . 7 (1): 12544. DOI : 10.1038 / ncomms12544 . ISSN 2041-1723 . PMC 5013555 . PMID 27572523 .   
  11. ^ Заико, Anastasija; Мартинес, Хосе Л .; Ардура, Альба; Класа, Лаура; Borrell, Yaisel J .; Самуиловиене, Аурелия; Рока, Агустин; Гарсия-Васкес, Ева (декабрь 2015 г.). «Обнаружение вредных видов с помощью NGST: недостатки методологии и возможное применение при мониторинге водяного балласта» (PDF) . Исследования морской среды . 112 (Pt B): 64–72. DOI : 10.1016 / j.marenvres.2015.07.002 . PMID 26174116 .  
  12. ^ Фернандес, Сара; Родригес, Сауль; Мартинес, Хосе Л .; Borrell, Yaisel J .; Ардура, Альба; Гарсиа-Васкес, Ева (2018-08-08). Мельчер, Ульрих (ред.). «Оценка пресноводных макробеспозвоночных на основе метабаркодирования eDNA: тематическое исследование реки Налон» . PLOS ONE . 13 (8): e0201741. DOI : 10.1371 / journal.pone.0201741 . ISSN 1932-6203 . PMC 6082553 . PMID 30089147 .   
  13. ^ Хаазе, Питер; Pauls, Steffen U .; Schindehütte, Карин; Сандерманн, Андреа (декабрь 2010 г.). «Первый аудит образцов макробеспозвоночных в рамках программы мониторинга Рамочной директивы ЕС по водным ресурсам: человеческая ошибка значительно снижает точность результатов оценки». Журнал Североамериканского бентологического общества . 29 (4): 1279–1291. DOI : 10.1899 / 09-183.1 . ISSN 0887-3593 . 
  14. ^ «REABIC - Журналы - Записи о биологическом вторжении - Выпуск 1 (2018)» . www.reabic.net . DOI : 10,3391 / bir.2018.7.1.08 . Проверено 19 апреля 2019 .
  15. ^ Venter, Hermoine J .; Отдел экологических наук и менеджмента, Северо-Западный университет, Почефструм, Южная Африка; Безуиденхаут, Корнелиус С .; Отдел экологических наук и менеджмента, Северо-Западный университет, Почефструм, Южная Африка (2016-05-26). «Идентификация водных беспозвоночных на основе ДНК, полезная в контексте Южной Африки?» . Южноафриканский научный журнал . 112 (5/6). DOI : 10.17159 / sajs.2016 / 20150444 . ISSN 0038-2353 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ DeWalt, Р. Эдвард (2011-03-01). «Штрих-кодирование ДНК: таксономическая точка зрения». Журнал Североамериканского бентологического общества . 30 (1): 174–181. DOI : 10.1899 / 10-021.1 . ISSN 0887-3593 . 
  17. ^ Кэрью, Мелисса Э; Петтигроув, Винсент Дж; Метцлинг, Леон; Хоффманн, Ари А (2013). «Экологический мониторинг с использованием секвенирования следующего поколения: быстрая идентификация биоиндикаторов макробеспозвоночных» . Границы зоологии . 10 (1): 45. DOI : 10,1186 / 1742-9994-10-45 . ISSN 1742-9994 . PMC 3750358 . PMID 23919569 .   
  18. ^ Teletchea, Fabrice (01.12.2010). «После 7 лет и 1000 цитирований: сравнительная оценка штрих-кодирования ДНК и предложений по таксономии ДНК для таксономистов и не систематиков». Митохондриальная ДНК . 21 (6): 206–226. DOI : 10.3109 / 19401736.2010.532212 . ISSN 1940-1736 . PMID 21171865 .  
  19. ^ Рэйч, Джессика; Бергманн, Тьярд; Пакния, Омид; ДеСалле, Роб; Шируотер, Бернд; Хадрис, Хайке (2017-04-13). Юэ, Би-Сон (ред.). «Выбор маркера: неожиданная разрешающая способность неисследованной области CO1 для подходов многослойного штрих-кодирования ДНК» . PLOS ONE . 12 (4): e0174842. DOI : 10.1371 / journal.pone.0174842 . ISSN 1932-6203 . PMC 5390999 . PMID 28406914 .   
  20. ^ Macher, Ян N .; Salis, Romana K .; Блейкмор, Кэти С .; Толлриан, Ральф; Matthaei, Christoph D .; Лиз, Флориан (февраль 2016 г.). «Множественные стрессорные эффекты на речных беспозвоночных: штрих-кодирование ДНК выявляет противоположные реакции загадочных видов поденок». Экологические показатели . 61 : 159–169. DOI : 10.1016 / j.ecolind.2015.08.024 .
  21. ^ Штейн, Эрик Д .; Уайт, Брайан П .; Mazor, Raphael D .; Джексон, Джон К .; Battle, Juliann M .; Миллер, Питер Э .; Пилигрим, Эрик М .; Суини, Бернард В. (2014-03-01). «Улучшает ли штрих-кодирование ДНК производительность традиционных потоковых метрик биооценки?». Пресноводная наука . 33 (1): 302–311. DOI : 10.1086 / 674782 . ISSN 2161-9549 . 
  22. ^ Уэбб, Джеффри М .; Jacobus, Luke M .; Функ, Дэвид Х .; Чжоу, Синь; Кондратьев, Борис; Джерачи, Кристи Дж .; Деуолт, Р. Эдвард; Бэрд, Дональд Дж .; Ричард, Бартон (30 мая 2012 г.). Фентон, Брок (ред.). «Библиотека штрих-кодов ДНК для североамериканских эфемероптероптер: прогресс и перспективы» . PLoS ONE . 7 (5): e38063. DOI : 10.1371 / journal.pone.0038063 . ISSN 1932-6203 . PMC 3364165 . PMID 22666447 .