Обыкновенно китовые акулы — самые крупные рыбы на Земле — покойны и позволяют людям плавать рядом и даже прикасаться к себе. Фото с сайта playadelcarmen.com
Интернациональная команда зоологов и биоинформатиков успешно применила относительно несложный и дешевый метод оценки генетического разнообразия популяций водных звериных. Объектом их интереса стала китовая акула — вид, очевидно, опасный и труднодоступный для ровного сбора образцов; при этом представляющий известный интерес для биологов, трудящихся в области сохранения исчезающих видов. Ученые показали, что можно выяснить с большенный надежностью и генетическое разнообразие, и численность акул, выделив их ДНК из проб воды, где они собираются в вящие группы. Метод работает без явных ошибок, выявляя разнообразность, недоступное при прямом анализе образцов тканей.
Сейчас в связи с распространением и удешевлением технологий метагеномики получило развитие одно из ее увлекательных направлений — экзогеномика видов. Это метод выявления ДНК конкретного облика в той или иной среде, и соответственно, уточнение его экологических предпочтений, генетического разнообразности и т. д. В водной среде ДНК живет не слишком долго, не больше месяца, потому обнаружение ДНК того или иного вида свидетельствует о его недавнем наличье. Удобно, ничего не скажешь: можно, не охотясь за каждой индивидуумом и не занимаясь подсчетами ее представителей, добыванием фотографий и образцов материалов, доказать, что представители вида побывали в этом месте, покинув по себе недолгую память в виде ДНК, будь это ДНК из фекалий, урины или других выделений, отшелушенной кожи или любых других экзогенных материалов. Такую ДНК именуют термином environmental DNA (или exogenous DNA, eDNA). В русской научной литературе пока нет устоявшегося термина, но для сжатости будем называть ее экзоДНК (от «экзогенная ДНК»).
Эта новая область геномики возбуждает особенный интерес у специалистов по видам, занесенным в Красную Книжку. Действительно, их редко можно увидеть в естественных местообитаниях, и еще труднее оценить их генетическое разнообразность, а в случае, например, с китовой акулой (Rhincodon typus), послужившей объектом изыскания для группы биологов под руководством Филипа Томсена (Philip Francis Thomsen) из Музея природной истории в Копенгагене, еще и опасно. C марта 2016 года у этого облика статус вымирающего (endangered species).
Китовая акула — это самая крупная рыба на планете, ее длина достигает 20 метров, а вес — 34 тонн. Она столуется планктоном, фильтруя воду через жаберные щели, может совершать порядочные вертикальные миграции вслед за скоплениями планктона (см. Стало четко, как кормятся китовые акулы, «Элементы», 28.09.2005), а также тысячекилометровые трансокеанические миграции.
Общемировая численность китовых акул составляет, по весьма грубым оценкам, от нескольких десятков до первых сотен тысяч индивидуумов. Оценки численности проводятся по меченым экземплярам, по подсчету групп акул в определенных пунктах, по фотоидентификации отдельных экземпляров в серии наблюдений. Данные по миграциям акул и мтДНК указывают об относительной изолированности двух основных субпопуляций: в теплых водах Атлантики и западной доли Индо-Тихоокеанского региона. Теоретически при столь малой численности всемирный популяции изоляция отдельных ее частей сужает и без того невеликое генетическое разнообразность. А это, очевидно, снижает шансы на выживание этого грандиозного во всех касательствах вида. Тренды численности в обеих субпопуляциях грустные: атлантическая доля уменьшилась с 2000 года примерно на 30%, а тихоокеанская — по различным оценкам на 63–87%. Так что специалистам, занятым сохранением китовых акул, здорово иметь более определенное представление о генетическом разнообразии облика. Но как это сделать? Даже численность оценить непросто, что уж говорить о репрезентативной выборке по ДНК. Вот тут-то и сгодился метод экзоДНК.
Китовые акулы собираются в значительные скопления в определенных пунктах. Зарегистрированы группы в 1100 и более особей, как, например, в Мексиканском бухте в феврале 2016 года. Скорее всего, акулы сплываются к пунктам кормежки и размножения. Но в данном случае это неважно. Важно, что в пробах воды, взятых в пунктах таких собраний, можно выявить ДНК большинства этих индивидуумов. А затем отработанными приемами ПЦР останется выделить эту ДНК и проанализировать.
Пробы (итого 20) были собраны в 2013–2014 годах в ходе экспедиций в Персидском бухте в водах Катара близ нефтяного месторождения Аль-Шахин. Тут ежедневно наблюдали скопления около 200 особей, самцов в каких было примерно в два раза больше чем самок.
ДНК из проб амплифицировали, выделили из всеобщего множества акулью часть, и из нее два участка мтДНК, которые по предыдущим генетическим изысканиям оказались полиморфными. Кроме того, были отобраны и образчики тканей 61 акулы. Ясно, что сбор образцов у живых акул — предприятие опасное и существенно немало трудное, чем просто сбор водных проб. Но оно необходимо, так как ученые должны бывальщины доказать, что пробы воды ничем не хуже самих материалов, а для этого требовался материал для сравнения. Ведь это первое изыскание, которое должно продемонстрировать надежность выявления генетического разнообразности популяции методом экзоДНК.
Численное соотношение гаплотипов из материалов соответствовало таковому из воды: это напрямую означает, что метод трудится! И можно не гоняться за акулами (или кем-то другим, не столь смирным и безотказным) со шприцем и склянкой, а попросту набрать побольше воды, где они плавают. Разнообразие проб воды, между метим, оказалось выше, чем проб тканей. Но этого и следовало ожидать, ведь образчики тканей брались не у всего акульего населения Аль-Шихана, а какой-то ее доли. Правда, новых вариантов было немного.
Два полиморфных участка DL1 и DL2, на каких показаны количественные соотношения выявленных вариантов (гаплотипов). Три комплекта данных включают результаты определения экзоДНК и ДНК из 61 образчиков тканей акул, а также информацию из доступных мировых баз этих. Графики из обсуждаемой статьи в Nature Ecology and Evolution
Природно, чтобы подтвердить этот великолепный вывод, пришлось проверить, нет ли методических промахов. Они могут появляться при порче ДНК в ходе хранения, статистических промахов при анализе длинных и коротких последовательностей, выявления новых вариантов за счет промахов прочтения или иных дефектов (так называемый ложноположительный ответ). Для этого бывальщины сделаны пробные выборки с известными гаплотипами и проведены все соответственные анализы. Выяснилось, что ошибка выявления генетического разнообразия по экзоДНК не превышает 5%.
Каковы перспективы такого метода, помимо его и без того очевидных совершенств? Ученые представили расчеты численности популяции акул западной доли Индо-Тихоокеанского региона по данным экзоДНК, сравнив их с имеющимися оценками. Итог по экзоДНК показал неплохое согласие с другими методами — эффективная численность популяции составляет первую сотню тысяч индивидуумов или чуть меньше.
Интересно, что данные по экзоДНК использовали и для оценки численности нескольких обликов в одном регионе. Это полезно для построения моделей трофических связей или моделей «хищник-жертва», когда требуются количественные эти по разным видам. Ученые измерили количество акульей экзоДНК в пробах воды и сопоставили их с обилием экзоДНК тунца в тех же водах.
Почитается, что китовая акула поедает икру тунца, поэтому является в местах икрометания этой массовой пелагической рыбы. Можно ожидать, что обилие тунца и акул связано ровный зависимостью. Судя по построенному графику количества экзоДНК обоих обликов, именно так и есть. Чем больше в водах тунцов, тем больше там и акул. Увлекательно отметить, что для этого вывода совершенно не обязательно наблюдать акул — ученые отметили их наличие только тогда, когда их численность была высока (апельсиновые точки на графике). Таким образом, корреляции численностей двух или нескольких обликов тоже можно оценивать по обилию экзоДНК в воде. Для корректных оценок требуется, разумеется, знать скорость разложения ДНК в соответствующих условиях, но это уже простейшие эксперименты.
Соотношение сравнительного количества экзоДНК малого восточного тунца (Euthynnus affinis) и китовых акул в пунктах сбора проб в разные годы. Оранжевыми значками отмечены точки, соответственные моментам наблюдений акул. График из обсуждаемой статьи в Nature Ecology and Evolution
Это изыскание, конечно, заинтересует всех, кто вплотную занят вопросами сохранения разнообразности китовых акул. Но больше — хотелось бы верить — оно привлечет тех, кто занимается проблемами оценки биоразнообразия. Сейчас о биоразнообразии судят не столько по обилию индивидуумов, сколько по разнообразию генофонда популяции или вида. А количество и разнообразность экзоДНК представляет прямую оценку этого показателя, сравнительно легкодоступную и недорогую. Нужно только научиться этот показатель аккуратно использовать.
