Ученые выяснили, как быстро и точно отслеживать проникновение в водоемы новых видов рыб
Ученые Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова (ИПЭЭ) РАН совместно с коллегами из Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина (ИБВВ) РАН изучили генетическую изменчивость чужеродных видов рыб в Волжско-Камском регионе. Это исследование позволит не только спрогнозировать возможные последствия для нативных экосистем от чужеродных видов, но и провести мероприятия по локализации или уничтожению опасных или вредных видов. Научная статья исследователей вышла в высокорейтинговом журнале Water.
В естественных условиях расселение животных за пределы исторических ареалов ограничивается радиусом индивидуальной активности. Например, чтобы расселиться по Северной Евразии, в отличие от персонажей мультфильма «Ледниковый период», мамонтам пришлось пройти своими ногами тысячи километров, а весь процесс растянулся на многие сотни лет. Для летающих динозавров и их более поздней ветви, птиц, преодолевать большие расстояния было проще, но и в воздушной среде есть свои опасности и ограничения. Жителям вод, гидробионтам, для расселения приходилось либо пользоваться водными путями, либо формировать покоящиеся стадии, хорошо защищенные для сухопутного путешествия. При этом для пресноводных гидробионтов как суша, так и морская гладь представляли почти непреодолимую преграду.
Изучению того, как происходили биологические инвазии в сердце российской территории, Волго-Камском регионе, и посвящено исследование ученых ИБВВ РАН и ИПЭЭ РАН, выполненное под руководством доктора биологических наук, члена-корреспондента РАН Алексея Котова.
Одна из самых интересных и малоизученных видов рыб-вселенцев в Волге ― звездчатая пуголовка
В настоящее время в обловах на мелководье доля чужеродных видов рыб в водохранилищах Волги составляет от 8% до 32%, в водохранилищах Камы ― от 2 до 16%. Одна из ключевых задач при мониторинге биологических инвазий ― своевременная, быстрая и точная идентификация вселенца. Это позволяет не только спрогнозировать возможные последствия для нативных экосистем от чужеродных видов, но и при необходимости как можно скорее провести мероприятия по локализации или уничтожению опасных или вредных видов. Для точного определения животных ученые используют метод ДНК-идентификации.
Технология ДНК-баркодинга в настоящее время является стандартной процедурой при изучении биологического разнообразия, однако, как и везде, здесь имеются свои нюансы. В частности, при проведении таких работ для амплификации (множественного копирования) интересующего гена необходимо использовать праймеры ― небольшие «затравки» из одноцепочечной ДНК, комплиментарные фланкирующим последовательностям ДНК гена-мишени. Выбранный для ДНК-баркодинга животных ген COI относится к достаточно консервативным, что позволяет использовать универсальные праймеры для большого числа близкородственных видов.
Однако, чем выше универсальность, тем ниже специфичность, поэтому исследователям постоянно приходится искать компромисс между подходами «много, но плохо» и «хорошо, но мало». Поэтому для более точного определения все большую популярность приобретает тенденция моделирования праймеров, специфичных для конкретной группы животных. Так, например, изучающим пресноводных рыб Волги ученым не нужны знания о последовательностях ДНК рыб коралловых рифов Австралии. В результате «волжские» праймеры будут гораздо эффективнее для конкретной задачи мониторинга видов-вселенцев в этом регионе.
«Именно по такому пути пошел наш коллектив при ДНК-баркодинге чужеродных видов рыб Волги и Камы. Разработанные нами праймеры позволили почти на четверть улучшить эффективность стандартного ДНК-баркодинга. В случае фрагментарных и сильно деградировавших проб мы предлагаем использовать праймеры для синтеза более коротких последовательностей, что без потери точности позволяет проводить идентификацию «сложных» образцов, недоступных другим традиционным методам. Также эти «короткие» праймеры, кроме традиционной амплификации, можно использовать в системах высокопроизводительного секвенирования как в случае тотальных проб, так и для eDNA («природной» ДНК, растворенной в воде)», ― рассказал Алексей Котов.
Однако работы только с одним локусом неминуемо приводят к ошибкам (контаминация проб, неверные прочтения или просто ошибки внесения образцов). Для повышения репрезентативности ученые разработали дополнительный набор праймеров для большой субъединицы митохондриальной (16S) и малой субъединицы ядерной (18S) рибосомальной ДНК и пришли к выводу, что исследование рДНК может быть удачным дополнением для «классического» ДНК-баркодинга, в том числе при использовании систем высокопроизводительного секвенирования.
В практическом плане при тестировании набора праймеров (COI, 16S и 18S) была изучена генетическая изменчивость у 31 вида пресноводных рыб. Для Волжско-Камского региона впервые сформирована библиотека эталонных последовательностей практически всех массовых чужеродных видов рыб, в том числе генетически подтверждены находки нескольких новых видов. Предложенные наборы праймеров демонстрируют высокую эффективность при амплификации и высокую специфичность для области штрих-кода ДНК не только чужеродных видов, но и других таксонов пресноводных рыб.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России. Генетические работы были выполнены при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований 20-34-70020 «Чужеродные виды гидробионтов разных таксономических групп в Европейской России: сравнительный анализ полиморфизма в пределах нативных и инвазионных ареалов, истории и особенностей инвазионного процесса» (руководитель Е.И. Беккер, ИПЭЭ РАН).
