海洋環境の現場モニタリング用のコンパクトで自動化された eDNA サンプラー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5210 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

環境 DNA (eDNA) を使用して水生環境の生物多様性を監視することは、視覚的および音響的識別などの他の方法に代わる効率的かつコスト効率の高い代替手段になりつつあります。 最近まで、eDNA サンプリングは主に手動サンプリング方法によって行われていました。 しかし、技術の進歩により、サンプリングをより簡単かつアクセスしやすくする自動サンプラーが開発されています。 この論文では、1 人で展開できる単一ユニット内で、セルフクリーニングと複数サンプルの捕捉と保存が可能な新しい eDNA サンプラーについて説明します。 このサンプラーの最初の現場テストは、典型的なニスキンボトル回収および回収後の濾過方法を使用して採取された並行サンプルと並行して、カナダのノバスコシア州ベッドフォード盆地で行われました。 どちらの方法でも同じ水生微生物群集を捕捉でき、代表的な DNA 配列の数は方法間でよく相関しており、R\(^{2}\) 値は 0.71 ～ 0.93 の範囲でした。 2 つの収集方法では、ほぼ同一の相対存在量で同じ上位 10 科が返され、サンプラーがニスキンと同じ一般的な微生物の群落構成を捕捉できたことが実証されました。 提示された eDNA サンプラーは、手動サンプリング方法に代わる強力な代替手段を提供し、自律走行車の積載量の制約に適応し、遠隔地やアクセスできない場所の永続的な監視を容易にします。

水生環境における人間の活動の増加により、栄養負荷の増加によって引き起こされる低酸素症、海洋酸性化、富栄養化などの問題を引き起こす人為的影響に関する懸念が生じています1。 これらの影響は、殻や骨格が酸性化の影響を受ける石灰化海洋種などの特定の生物の成長を妨げる可能性があり2、魚や人間の経済に害を及ぼす有害な藻類ブルーム（HAB）を引き起こす生物を含む他の生物種の成長を促進する可能性があります3。 4. これらの変化とその結果として生じる影響のタイムスケールは、数時間から数年にわたる場合があり、それぞれの生態系が固有であるため、変化を追跡するのが難しい場合があり、変化を適切に評価するには時間分解の現場観察が必要です。

生物学的モニタリング プログラムは伝統的に、対象となる重要な分類群を手動で特定することに重点を置いてきました。 ただし、これらのプログラムには時間がかかり、分類学的識別に関する特別なトレーニングが必要になる場合があります。 近年、DNA 配列決定のコストの低下と核酸データベースのサイズの増大に伴い、環境 DNA (eDNA) が生物学的モニタリング プログラムにおける生物多様性の代用として使用されることが増えています5。 eDNA のモニタリングには、環境に存在するすべての DNA の研究が含まれます 6。これは、非侵襲的であり、高感度の DNA 抽出から固有のバーコード配列の検出まで、急速に進化する一連の分析手法を使用して微生物相と後生動物に同様に広く適用できるため、さまざまな点で利点があります 7。 植物プランクトンによる一次生産や死んだ有機物の生物地球化学的循環におけるeDNAの役割の重要性を考慮して、微生物の多様性を研究するためのeDNAの価値を実証した研究は数多くあります。 例えば、水産養殖環境における微生物叢のバイオモニタリングは、環境撹乱に対する微生物の急速な反応を検出し、持続可能な水産養殖産業のための管理戦略を評価するための eDNA の有用性を実証しています 8,9,10。 さらに、eDNA が魚類の生物多様性の環境モニタリング 11、海洋哺乳類の追跡 12、および保全生物学のその他の側面において重要な役割を果たす運命にあることを実証する研究の数が増えています 13。

現在の eDNA サンプリング方法は多くの場合、労働集約的であり、ニスキンボトルまたは同様の機器を使用してサンプルを収集し、その後に別々の濾過と保存のステップが行われ、多くの場合、それぞれ蠕動ポンプと冷凍庫が使用されます。 eDNA のサンプリングと分析の手動コンポーネントにより、遠隔環境や定期的にサンプルを採取する必要がある環境での使用が制限され、プロセスの実行には訓練を受けた担当者が必要になります。 eDNA 法の適用可能性をより困難な問題に拡張するには、自動サンプリング装置の開発を含む自動化が必要です。 最近開発されたサンプラーは、単一フィルター システムからより複雑なマルチフィルター システムまで多岐にわたり、展開期間、最大深度定格、使用される化学物質/防腐剤などのパラメーターはそれぞれ異なります。 市販されているものと研究用プロトタイプの両方を含む、現在の eDNA サンプラーの代表的なリストの概要を表 1 に示します。