23.11.2016

Численность и генетическое разнообразие китовых акул измерили по пробам воды

Международная команда зоологов и биоинформатиков успешно применила относительно простой и дешевый метод оценки генетического разнообразия популяций водных животных. Объектом их интереса стала китовая акула — вид, очевидно, опасный и труднодоступный для прямого сбора образцов; при этом представляющий известный интерес для биологов, работающих в области сохранения исчезающих видов. Ученые показали, что можно выяснить с большой надежностью и генетическое разнообразие, и численность акул, выделив их ДНК из проб воды, где они собираются в большие группы. Метод работает без явных ошибок, выявляя разнообразие, недоступное при прямом анализе образцов тканей.

Сейчас в связи с распространением и удешевлением технологий метагеномики получило развитие одно из ее интересных направлений — экзогеномика видов. Это метод выявления ДНК конкретного вида в той или иной среде, и, соответственно, уточнение его экологических предпочтений, генетического разнообразия и т. д. В водной среде ДНК живет не слишком долго, не больше месяца, поэтому обнаружение ДНК того или иного вида свидетельствует о его недавнем присутствии. Удобно, ничего не скажешь: можно, не охотясь за каждой особью и не занимаясь подсчетами ее представителей, добыванием фотографий и образцов тканей, доказать, что представители вида побывали в этом месте, оставив по себе недолгую память в виде ДНК, будь это ДНК из фекалий, мочи или других выделений, отшелушенной кожи или любых других экзогенных материалов. Такую ДНК называют термином environmental DNA (или exogenous DNA, eDNA). В русской научной литературе пока нет устоявшегося термина, но для краткости будем называть ее экзоДНК (от «экзогенная ДНК»).

Эта новая область геномики вызывает особенный интерес у специалистов по видам, занесенным в Красную Книгу. Действительно, их редко можно увидеть в естественных местообитаниях, и еще труднее оценить их генетическое разнообразие, а в случае, например, с китовой акулой (Rhincodon typus), послужившей объектом исследования для группы биологов под руководством Филипа Томсена (Philip Francis Thomsen) из Музея естественной истории в Копенгагене, еще и опасно. C марта 2016 года у этого вида статус вымирающего (endangered species).

Китовая акула — это самая крупная рыба на планете, ее длина достигает 20 метров, а вес — 34 тонн. Она питается планктоном, фильтруя воду через жаберные щели, может совершать значительные вертикальные миграции вслед за скоплениями планктона, а также тысячекилометровые трансокеанические миграции.

Общемировая численность китовых акул составляет, по очень грубым оценкам, от нескольких десятков до первых сотен тысяч особей. Оценки численности проводятся по меченым экземплярам, по подсчету групп акул в определенных местах, по фотоидентификации отдельных экземпляров в серии наблюдений. Данные по миграциям акул и мтДНК свидетельствуют об относительной изолированности двух основных субпопуляций: в теплых водах Атлантики и западной части Индо-Тихоокеанского региона. Теоретически при столь малой численности мировой популяции изоляция отдельных ее частей сужает и без того невеликое генетическое разнообразие. А это, очевидно, снижает шансы на выживание этого грандиозного во всех отношениях вида. Тренды численности в обеих субпопуляциях грустные: атлантическая часть уменьшилась с 2000 года примерно на 30%, а тихоокеанская — по разным оценкам на 63–87%. Так что специалистам, занятым сохранением китовых акул, полезно иметь более определенное представление о генетическом разнообразии вида. Но как это сделать? Даже численность оценить непросто, что уж говорить о репрезентативной выборке по ДНК. Вот тут-то и пригодился метод экзоДНК.

Китовые акулы собираются в значительные скопления в определенных местах. Зарегистрированы группы в 1100 и более особей, как, например, в Мексиканском заливе в феврале 2016 года. Скорее всего, акулы сплываются к местам кормежки и размножения. Но в данном случае это неважно. Важно, что в пробах воды, взятых в местах таких собраний, можно выявить ДНК большинства этих особей. А затем отработанными приемами ПЦР останется выделить эту ДНК и проанализировать.

Пробы (всего 20) были собраны в 2013–2014 годах в ходе экспедиций в Персидском заливе в водах Катара близ нефтяного месторождения Аль-Шахин. Здесь ежедневно наблюдали скопления около 200 особей, самцов в которых было примерно в два раза больше, чем самок.

ДНК из проб амплифицировали, выделили из общего множества акулью часть, и из нее два участка мтДНК, которые по предыдущим генетическим исследованиям оказались полиморфными. Кроме того, были отобраны и образцы тканей 61 акулы. Ясно, что сбор образцов у живых акул — предприятие опасное и существенно более трудное, чем просто сбор водных проб. Но оно необходимо, так как ученые должны были доказать, что пробы воды ничем не хуже самих тканей, а для этого требовался материал для сравнения. Ведь это первое исследование, которое должно продемонстрировать надежность выявления генетического разнообразия популяции методом экзоДНК.

Численное соотношение гаплотипов из тканей соответствовало таковому из воды: это напрямую означает, что метод работает! И можно не гоняться за акулами (или кем-то другим, не столь смирным и безотказным) со шприцем и склянкой, а просто набрать побольше воды, где они плавают. Разнообразие проб воды, между прочим, оказалось выше, чем проб тканей. Но этого и следовало ожидать, ведь образцы тканей брались не у всего акульего населения Аль-Шихана, а какой-то ее части. Правда, новых вариантов было немного.

Естественно, чтобы подтвердить этот великолепный вывод, пришлось проверить, нет ли методических ошибок. Они могут появляться при порче ДНК в ходе хранения, статистических ошибок при анализе длинных и коротких последовательностей, выявления новых вариантов за счет ошибок прочтения или иных дефектов (так называемый ложноположительный ответ). Для этого были сделаны пробные выборки с известными гаплотипами и проведены все соответствующие анализы. Выяснилось, что ошибка выявления генетического разнообразия по экзоДНК не превышает 5%.

Каковы перспективы такого метода, помимо его и без того очевидных достоинств? Ученые представили расчеты численности популяции акул западной части Индо-Тихоокеанского региона по данным экзоДНК, сравнив их с имеющимися оценками. Результат по экзоДНК показал неплохое согласие с другими методами — эффективная численность популяции составляет первую сотню тысяч особей или чуть меньше.

Интересно, что данные по экзоДНК использовали и для оценки численности нескольких видов в одном регионе. Это полезно для построения моделей трофических связей или моделей «хищник-жертва», когда требуются количественные данные по разным видам. Ученые измерили количество акульей экзоДНК в пробах воды и сопоставили их с обилием экзоДНК тунца в тех же водах.

Считается, что китовая акула поедает икру тунца, поэтому появляется в местах икрометания этой массовой пелагической рыбы. Можно ожидать, что обилие тунца и акул связано прямой зависимостью. Судя по построенному графику количества экзоДНК обоих видов, именно так и есть. Чем больше в водах тунцов, тем больше там и акул. Интересно отметить, что для этого вывода совершенно не обязательно наблюдать акул — ученые отметили их присутствие только тогда, когда их численность была высока (оранжевые точки на графике). Таким образом, корреляции численностей двух или нескольких видов тоже можно оценивать по обилию экзоДНК в воде. Для корректных оценок требуется, конечно, знать скорость разложения ДНК в соответствующих условиях, но это уже простейшие эксперименты.

Это исследование, конечно, заинтересует всех, кто вплотную занят вопросами сохранения разнообразия китовых акул. Но больше — хотелось бы верить — оно привлечет тех, кто занимается вопросами оценки биоразнообразия. Сейчас о биоразнообразии судят не столько по обилию особей, сколько по разнообразию генофонда популяции или вида. А количество и разнообразие экзоДНК представляет прямую оценку этого показателя, сравнительно легкодоступную и дешевую. Нужно только научиться этот показатель аккуратно использовать.

Подготовлено по материалам:

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 M?ller and Philip Francis Thomsen. Population characteristics of a large whale shark aggregation inferred from seawater environmental DNA // Nature Ecology and Evolution. 2016. DOI: 10.1038/s41559-016-0004.

2) Jelger Herder, Alice Valentini, Eva Bellemain, Tony Dejean, Jeroen van Delft, Philip Francis Thomsen and Pierre Taberlet. Environmental DNA — a review of the possible applications for the detection of (invasive) species.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru