Die Messung der biologischen Vielfalt der Meere mit „Umwelt-DNA“ – eine Anwendung der Gensequenzierung in der Umweltbiologie – sollte eine schnelle Bewertung von Veränderungen im Meeresleben ermöglichen. Das macht Umwelt-DNA (eDNA) zu einem entscheidenden Werkzeug für die Bewältigung unserer Reaktion auf den Klimawandel. Aber eDNA funktioniert nur dann gut, wenn die wichtigsten Implementierungsschritte befolgt werden, so eine neue Studie über die Gegend von Los Angeles und Long Beach, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde PeerJ.
„Was müssen wir wissen, um eDNA im Küstenmeer zu verwenden, und können wir es in einem wichtigen städtischen Umfeld gut funktionieren lassen? Das sind die Fragen, die uns motiviert haben, diese Studie zu starten“, sagte Regina Wetzer, Kuratorin und Direktorin des Marine Biodiversity Center im Natural History Museum of Los Angeles County (NHM).
Die Beantwortung dieser Fragen umfasste Beiträge von einem Naturkundemuseum, mehreren akademischen Einrichtungen, Umweltberatern und Regierungsbehörden, die die Herausforderungen bei der Verwendung von eDNA hervorhoben, aber auch das weit verbreitete Interesse an ihrer Verwendung.
eDNA verwendet die genetische Sequenzierung von Proben aus der Umwelt (in diesem Fall Meerwasser), um die Biodiversität zu inventarisieren. „Es gibt Gene, die sich zwischen den Arten so stark unterscheiden, dass sie als Identifikationsmarker verwendet werden können. Jeder Organismus wirft DNA ab, indem er Hautzellen oder andere Materialien fallen lässt, also können wir eine Tasse Meerwasser nehmen, die DNA darin sequenzieren und diese zur Bestandsaufnahme verwenden Organismen in der Umgebung“, sagte Zack Gold, Hauptautor der Studie.
Der benachbarte Hafen von Los Angeles und der Hafen von Long Beach bilden einen der größten Hafenkomplexe der Welt und sind ein Ort von großem ökologischem Interesse. Das machte es zu einem interessanten Ort, um die Fähigkeit von eDNA zu testen, als wirksames Instrument zur Bewertung der Biodiversität zu fungieren.
Diese Studie kombinierte eDNA-Probenentnahmen mit konventionellen schiffsbasierten Schleppnetzentnahmen an sieben Standorten im Hafenkomplex. An jedem Standort sammelten die Forscher mehrere eDNA-Proben, jeweils etwa einen Liter Meerwasser, kurz bevor das Schleppnetz durch dasselbe Gebiet gezogen wurde. Dies ermöglichte einen Vergleich zwischen eDNA und herkömmlichen Techniken zur Bewertung der Biodiversität: eDNA entdeckte fast alle der 17 Fischarten, die in den Schleppnetzen gefunden wurden, aber auch weitere 55 einheimische Fischarten. Der Nachweis dieser zusätzlichen Arten durch herkömmliche Probennahme erfordert viel mehr Probennahmefahrten und sehr hohe Kosten.
„Wir haben uns gefreut, dass die eDNA neben der ‚konventionellen‘ Probenahme validiert wurde, aber wir waren wirklich gespannt auf die zusätzlichen Informationen, die aus der eDNA stammen“, sagte Dean Pentcheff, Forscher und Programmmanager der Diversity Initiative for the Southern California Ocean (DISCO ) bei NHM. Um diese zusätzlichen Informationen zu erhalten, war jedoch eine vollständige genetische Referenzbibliothek für alle Fische in der Gegend erforderlich – eine genetische Sequenz in einer eDNA-Probe kann nur dann einer Art zugeordnet werden, wenn für diese Art eine Referenzsequenz hinterlegt ist. Alle Fische in den eDNA-Proben in dieser Studie wurden erst aufgelöst, nachdem die Forscher die letzten paar Fischreferenzen zur Sequenzbibliothek hinzugefügt hatten.
Die eDNA-Proben von verschiedenen Stellen in den Häfen ergaben unterschiedliche Arteninventare auf statistisch signifikantem Niveau. Das beantwortete eine wichtige Frage: Kann eDNA die Variabilität in einem so kleinen Gebiet wie dem Hafenkomplex messen, oder vermischt sich das Meerwasser so gründlich, dass lokale Unterschiede vollständig verwischt werden? Diese Studie zeigte, dass eDNA in dieser Meeresumgebung Unterschiede zwischen Orten aufdecken kann, die nur wenige hundert Meter voneinander entfernt sind.
Auf der Grundlage dieses Pilotprojekts stellten die Autoren eine Reihe von Empfehlungen für Manager zusammen, die eDNA als Instrument für Biodiversitätsbewertungen in Betracht ziehen. Die Empfehlungen umfassen eine sorgfältige Auswahl der identifizierenden Gene und spezifische Ratschläge zur Bereinigung der Sequenzdaten von eDNA-Proben vor der Suche nach Sequenzübereinstimmungen. Aufgrund der erfolgreichen Artenauflösung, die aus dem Aufbau einer vollständigen Sequenz-Referenzbibliothek resultierte, besteht eine Schlüsselempfehlung darin, regionale Referenzdatenbanken zu erstellen.
„Diese Umweltproben sind wie Zeitkapseln, die wir in Zukunft nutzen können“, sagte Adam Wall, Crustacea Collections Manager bei NHM. Diese Stimmung führte zu einer weiteren Empfehlung der Gruppe: Archivieren Sie eDNA-Proben und Sequenzdaten für die langfristige Verwendung. Mit der Verbesserung der Sequenzierungstechnologie könnten zusätzliche Informationen aus den Proben stammen. Da sich die Analysetechniken für genetische Daten verbessern und genetische Referenzbibliotheken erweitert werden, können die Sequenzdaten erneut analysiert werden, um zusätzliche Ergebnisse über die in dieser Studie veröffentlichten Fischinventare hinaus zu erhalten.
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Zachary Gold et al., Ein Leitfaden für Manager zur Verwendung von eDNA-Metabarcoding in Meeresökosystemen, PeerJ (2022). DOI: 10.7717/peerj.14071