Kehidupan laut sebagian besar tersembunyi dari pandangan. Memantau apa yang tinggal di tempat yang mahal - biasanya membutuhkan kapal besar, jaring besar, tenaga terampil dan banyak waktu. Sebuah teknologi yang muncul menggunakan apa yang disebut DNA lingkungan mengatasi beberapa batasan itu, menyediakan cara yang cepat dan terjangkau untuk mencari tahu apa yang ada di bawah permukaan air.
Konten terkait
- Bagaimana Para Ilmuwan Menggunakan Gigitan Kecil DNA yang Tersisa untuk Memecahkan Misteri Margasatwa
Ikan dan hewan lain mencurahkan DNA ke dalam air, dalam bentuk sel, sekresi atau kotoran. Sekitar 10 tahun yang lalu, para peneliti di Eropa pertama kali mendemonstrasikan bahwa volume kecil air tambak mengandung cukup DNA yang mengambang bebas untuk mendeteksi hewan yang hidup.
Para peneliti kemudian mencari eDNA air dalam berbagai sistem air tawar, dan baru-baru ini di lingkungan laut yang jauh lebih besar dan lebih kompleks. Sementara prinsip eDNA akuatik sudah mapan, kami baru mulai mengeksplorasi potensinya untuk mendeteksi ikan dan kelimpahannya di lingkungan laut tertentu. Teknologi ini menjanjikan banyak aplikasi praktis dan ilmiah, dari membantu menetapkan kuota ikan yang berkelanjutan dan mengevaluasi perlindungan bagi spesies yang terancam punah untuk menilai dampak dari ladang angin lepas pantai.
Siapa di Hudson, kapan?
Dalam studi baru kami, rekan-rekan saya dan saya menguji seberapa baik eDNA akuatik dapat mendeteksi ikan di muara Sungai Hudson di sekitar New York City. Meskipun menjadi muara paling urban di Amerika Utara, kualitas air telah meningkat secara dramatis selama beberapa dekade terakhir, dan muara telah sebagian memulihkan perannya sebagai habitat penting bagi banyak spesies ikan. Peningkatan kesehatan perairan setempat disoroti oleh kemunculan ikan paus bungkuk yang sekarang biasa makan di sekolah-sekolah besar Atlantik yang menhaden di perbatasan pelabuhan New York, di dalam lokasi Gedung Empire State.
Bersiap untuk melempar ember pengumpul ke sungai. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Studi kami adalah rekaman pertama migrasi musim semi ikan laut dengan melakukan tes DNA pada sampel air. Kami mengumpulkan satu liter (sekitar satu liter) sampel air setiap minggu di dua lokasi kota dari Januari hingga Juli 2016. Karena garis pantai Manhattan berlapis baja dan tinggi, kami melemparkan ember ke atas tali ke dalam air. Sampel musim dingin hanya memiliki sedikit atau tidak ada eDNA ikan. Mulai bulan April ada peningkatan yang stabil pada ikan yang terdeteksi, dengan sekitar 10 hingga 15 spesies per sampel pada awal musim panas. Temuan eDNA sebagian besar sesuai dengan pengetahuan kami saat ini tentang pergerakan ikan, yang diperoleh dengan susah payah dari beberapa dekade survei pelayaran tradisional.
Hasil kami menunjukkan kualitas "Goldilocks" dari eDNA akuatik - sepertinya cukup tepat untuk menjadi berguna. Jika menghilang terlalu cepat, kami tidak akan bisa mendeteksinya. Jika itu berlangsung terlalu lama, kami tidak akan mendeteksi perbedaan musim dan kemungkinan akan menemukan DNA dari banyak spesies air tawar dan lautan terbuka serta dari ikan-ikan estuari lokal. Penelitian menunjukkan DNA meluruh dari jam ke hari, tergantung pada suhu, arus dan sebagainya.
Secara keseluruhan, kami mendapatkan eDNA yang cocok dengan 42 spesies ikan laut lokal, termasuk sebagian besar (80 persen) dari spesies lokal yang berlimpah atau umum. Selain itu, dari spesies yang kami deteksi, spesies yang melimpah atau umum lebih sering diamati daripada spesies yang tidak lazim secara lokal. Bahwa spesies yang terdeteksi eDNA cocok dengan pengamatan tradisional ikan umum lokal dalam hal kelimpahan adalah kabar baik untuk metode ini - mendukung eDNA sebagai indeks jumlah ikan. Kami berharap pada akhirnya kami akan dapat mendeteksi semua spesies lokal - dengan mengumpulkan volume yang lebih besar, di lokasi tambahan di muara dan pada kedalaman yang berbeda.
Ikan diidentifikasi melalui eDNA dalam sampel satu hari dari East River City New York City. (Departemen Konservasi Lingkungan Negara Bagian New York: alewife (spesies ikan haring), bass bergaris, belut Amerika, mummichog; Departemen Ikan dan Permainan Massachusetts: bass laut hitam, ikan biru, Atlantik silverside; Asosiasi Scuba Diving New Jersey: tiram) Selain spesies laut lokal, kami juga menemukan spesies langka atau tidak ada secara lokal dalam beberapa sampel. Sebagian besar adalah ikan yang kita makan - Nil tilapia, salmon Atlantik, bass laut Eropa ("branzino"). Kami berspekulasi ini berasal dari air limbah - meskipun Hudson lebih bersih, kontaminasi limbah tetap ada. Jika demikian bagaimana DNA masuk ke muara dalam kasus ini, maka dimungkinkan untuk menentukan apakah suatu komunitas mengkonsumsi spesies yang dilindungi dengan menguji air limbahnya. Eksotis yang tersisa yang kami temukan adalah spesies air tawar, yang mengejutkan hanya sedikit yang diberikan aliran air tawar harian yang besar ke muara air asin dari DAS Hudson.
Menyaring air muara kembali di lab. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Menganalisis DNA telanjang
Protokol kami menggunakan metode dan standar peralatan di laboratorium biologi molekuler, dan mengikuti prosedur yang sama yang digunakan untuk menganalisis mikrobioma manusia, misalnya.
Setelah pengumpulan, kami menjalankan sampel air melalui filter ukuran pori kecil (0, 45 mikron) yang memerangkap bahan yang tersuspensi, termasuk sel dan fragmen sel. Kami mengekstraksi DNA dari filter, dan menguatkannya menggunakan reaksi rantai polimerase (PCR). PCR seperti "xeroxing" urutan DNA tertentu, menghasilkan salinan yang cukup sehingga dapat dengan mudah dianalisis.
Kami menargetkan DNA mitokondria - bahan genetik dalam mitokondria, organel yang menghasilkan energi sel. DNA mitokondria hadir dalam konsentrasi yang jauh lebih tinggi daripada DNA nuklir, dan karenanya lebih mudah dideteksi. Ini juga memiliki daerah yang sama di semua vertebrata, yang membuatnya lebih mudah bagi kita untuk memperkuat beberapa spesies.
eDNA dan puing-puing lainnya tertinggal di filter setelah air muara melewatinya. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Kami menandai setiap sampel yang diperkuat, mengumpulkan sampel dan mengirimkannya untuk pengurutan generasi berikutnya. Ilmuwan dan co-penulis Universitas Rockefeller Zachary Charlop-Powers menciptakan pipa bioinformatika yang menilai kualitas urutan dan menghasilkan daftar urutan unik dan "angka yang dibaca" di setiap sampel. Itulah berapa kali kami mendeteksi setiap urutan unik.
Untuk mengidentifikasi spesies, setiap urutan unik dibandingkan dengan yang ada di database publik GenBank. Hasil kami konsisten dengan angka baca yang sebanding dengan jumlah ikan, tetapi lebih banyak pekerjaan diperlukan pada hubungan yang tepat antara eDNA dan kelimpahan ikan. Misalnya, beberapa ikan dapat menumpahkan lebih banyak DNA daripada yang lain. Efek dari kematian ikan, suhu air, telur dan ikan larva dibandingkan bentuk dewasa juga bisa berperan.
Sama seperti di acara kejahatan televisi, identifikasi eDNA bergantung pada database yang komprehensif dan akurat. Dalam studi percontohan, kami mengidentifikasi spesies lokal yang hilang dari basis data GenBank, atau memiliki urutan yang tidak lengkap atau tidak cocok. Untuk meningkatkan identifikasi, kami mengurutkan 31 spesimen yang mewakili 18 spesies dari koleksi ilmiah di Monmouth University, dan dari toko umpan dan pasar ikan. Pekerjaan ini sebagian besar dilakukan oleh peneliti siswa dan penulis bersama Lyubov Soboleva, senior di John Bowne High School di New York City. Kami menyimpan urutan baru ini di GenBank, meningkatkan cakupan basis data menjadi sekitar 80 persen dari spesies lokal kami.
Situs koleksi Study di Manhattan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Kami fokus pada ikan dan vertebrata lainnya. Kelompok penelitian lain telah menerapkan pendekatan eDNA akuatik untuk invertebrata. Pada prinsipnya, teknik ini dapat menilai keragaman semua hewan, tumbuhan dan kehidupan mikroba di habitat tertentu. Selain mendeteksi hewan akuatik, eDNA mencerminkan hewan darat di daerah aliran sungai terdekat. Dalam penelitian kami, hewan buas paling umum yang terdeteksi di perairan New York City adalah tikus coklat, penduduk kota yang umum.
Studi di masa depan mungkin menggunakan kendaraan otonom untuk secara rutin mencicipi lokasi terpencil dan dalam, membantu kami untuk lebih memahami dan mengelola keanekaragaman kehidupan laut.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
Mark Stoeckle, Associate Riset Senior dalam Program untuk Lingkungan Manusia, The Rockefeller University
