数カップの水で、科学者は eDNA を使用して隠遁型の希少生物を研究します

Nov 11, 2023

海の生き物の中には、人間の探査機やトロール網から隠れて隠遁しているものもあります。 他の生き物は稀であり、水温の上昇と酸性化のせいで絶滅寸前に追い込まれています。

希少で人里離れた生き物の研究は、これまで科学者たちに問題をもたらしてきました。 近年、環境 DNA (eDNA) が役に立ちました。 eDNAを分離するために、科学者たちは海から水をすくいます。

「魚から落ちてくるもの、鱗、粘液、うんこなどを捕まえると、小さな小さな破片や個々の細胞などが得られます。そして、巨大な水の入ったボトルの中でそれらの細胞を見つけようとします。 」と米国海洋大気局の研究生態学者アンドリュー・シェルトン氏は語った。

今年5月の2週間にわたる航海で、科学者たちは北カリフォルニア海流生態系の調査中にNOAAのベル・M・シマダ調査船に乗ってサンプルを採取した。

島田号の共同主任研究員であるジェニファー・フィッシャー氏は、他の人たちにeDNA濾過装置の使い方を教えながら、「1人がeDNA水のサンプルを集めてこのステーションに来ることになる」と語った。

さまざまな深さの海洋をサンプリングした後、科学者らは、小さなコーヒーフィルターのような、銀ドルサイズのフィルターに水を流しました。

ポンプの騒音が船内のウェットラボの他の騒音をかき消していた。科学者たちは船上で約2週間の大半をそこで過ごし、サケの餌となる小さなプランクトンやその他の海洋生物についてさらに解明するのに役立つ可能性のあるデータを収集した。

水中の汚れの量によっては、濾過プロセスは骨が折れ、時間がかかる場合がありました。 ポンプはアルミホイルで覆われたガラスカップを通して水を汲み上げました。 その後、余分な水はパイプを通って大きなボトルに流れ込みました。

科学者らは、フィルターがeDNAで満たされていることを期待して慎重にフィルターを取り外した。 科学者らはピンセットを使ってフィルターをプラスチックのチューブに入れ、陸上の研究室で分析した。

過去 10 年にわたり、eDNA テクノロジーにより、保全科学者は希少種や絶滅危惧種が特定の環境に存在するかどうかを把握できるようになりました。 最近では、漁業管理者が eDNA をツールとして使用し、海洋などの広大な空間の魚資源についてさらに詳しく調べています。

科学者たちがシマダ号で収集した約 65 個の eDNA サンプルは、シアトルの NOAA の研究海洋学者であるニック・アダムスに送られました。 シーズン後半の調査遠征でも、アダムズが分析するためのサンプルが収集されました。

アダムスは、島田川で採取された水サンプル中の植物プランクトンの多様性を判定したいと考えていました。 植物プランクトンは海洋食物網の最初のつながりです。 植物プランクトンはサケが食べる他の生物の餌となります。

「高度な分析を行うと、『ああ、この DNA 片はこの生物に属し、これもこの生物に属している』と言えるでしょう」とアダムズ氏は語った。

その後、他の科学者や島田氏の調査で収集したデータと協力して情報を比較し、サンプルが収集された海で何が起こっているかの全体像を把握する予定だ。

島田氏の5月6日から17日までの旅行から約3か月後、アダムズ氏はeDNAサンプルの分析を待った。 科学者たちは、船が寄港するたびにアダムズのサンプルを収集しました。

アダムズ氏はこれらのサンプルを摂氏マイナス80度、華氏マイナス112度の冷凍庫に保管した。

サンプルを準備するために、彼は小さなガラスビーズと DNA 抽出バッファーが入ったフィルターをチューブに詰め込みました。 次に、ビーズビーターマシンでサンプルを振とうしました。

「それは彼らの鼻水を打ち負かすだけです」とアダムズは言いました。 「私が探している小さな粒子、特にプランクトンをすべて入手するためです。一部の植物プランクトンはシリカの殻を持っており、それらを壊すのは困難です。」

そこで役立つのがビーズ泡立て器です。 その後、アダムズはサンプルを華氏約 132 度でインキュベートしながら一晩保管しました。

翌朝、アダムスはサンプルチューブを回転させ、DNA 抽出バッファーを除去しました。

「塩分濃度が高いと、DNA がガラスにくっつきます。そのため、DNA はガラス管にくっつきます。悪いものをすべて洗い流してから、水か別の種類の緩衝液を使って DNA をガラスから剥ぎ取ります。そして、精製されたDNAです」とアダムズ氏は語った。

精製された DNA は、DNA シークエンシングと呼ばれるプロセスで検査されます。

高性能コンピューターは、その DNA 配列を既知の植物プランクトン DNA 配列のデータベースと比較することができ、島田で収集されたサンプル中のプランクトン DNA の多様性に関する情報がアダムズに与えられることが期待されます。 科学者たちは、海にサケにとって良い餌があるかどうかを示す情報が得られることを期待している。

シェルトン氏は、保全と漁業管理の観点から、eDNAが科学にもたらす可能性には多くの期待があると述べた。 しかし、eDNAにはまだ成長の余地がたくさんある、と同氏は語った。

「とてもヒップですね」とシェルトンは語った。 「今は、ある意味、新参者のようなものです。新参者が現れるたびに、その新参者は多くの注目を集め、多額のお金を受け取ります。」

eDNAの科学はまだ初期段階にあるが、今後数年でさらに関連性が高まり、トロール漁など他の種類の魚類調査を補完するのに役立つだろうとシェルトン氏は述べた。

漁業では、このような他の種類の調査が数十年にわたって行われてきました。 現在、科学者たちがeDNAデータを収集して安全に保管しているため、その情報は引き続き科学者たちに海の魚の濃度についてのアイデアを与え続けるだろうとシェルトン氏は述べた。

シェルトン氏は「5年後にはデータは非常に役立つだろう。10年後には非常に役立つだろう。20年後には非常に役に立つだろう」と述べた。

最近、シェルトン氏は、eDNA が大規模な漁業管理を強化できるかどうかを確認したいと考えていました。 これまで、eDNA は主に自然保護活動家によって使用されていました。

シェルトン氏は eDNA を使用して、西海岸沖最大の商業漁業であるメルルーサの北カリフォルニア海流を調査しました。 eDNA からのデータは、より伝統的な音響調査やトロール調査と同様の結果を示しました。

それにしても、海は広いですね。 調査員は eDNA サンプルから数フィート離れたところにいる可能性がありますが、電流によって eDNA が逆方向に押し出される可能性があります。 それを防ぐ1つの方法は、大量のサンプルを採取することだとシェルトン氏は言う。

科学者は 1 つのサンプルから宇宙全体のデータを推測することはできない、とシェルトン氏は言います。

シアトルのグリーン湖で魚を探すのと同じように考えてください、と彼は言いました。

「外に出て、すくい網を差し込んで、『うちのすくい網には魚がいない。グリーンレイクには魚がいないに違いない』などとは思わないのです」とシェルトンさんは言う。 「湖の周囲、浅瀬から深海までサンプルを採取します。体系的で思慮深い調査を行います。」

メーガン・パセリーさんは、州内のプルマンで博士課程の研究のために eDNA サンプルを収集しました。その一環として、eDNA の量を使用してコネチカット州のアカガエルのオタマジャクシの個体数を推定することが含まれています。

「ここで魔法が起こるのです」と、ワシントン州立大学のまばらで清潔な研究室に入りながらパセリ氏は言った。

不要な DNA を研究室から遠ざけることは困難であり、大量の漂白剤を使用する必要があります。 「漂白剤で汚れた服がたくさんあるんです」とパセリさんは言う。

この漂白剤は、ほとんどどこからでも漂着した DNA が、処理したいオタマジャクシの eDNA と混ざらないようにするのに役立ちます。

「私はそれをパン作りに関連付けたいのですよね？ レシピと指示があります。それにかなり厳密に従わなければなりませんが、実際にはDNAにアクセスするために細胞をバラバラにするような一連の化学反応にすぎません」とパセリは言いました。

パセリ氏が研究室のメンバーであるワシントン州立大学のゴールドバーグ研究室では、生息数が少ない希少種に焦点を当てることがよくあります。

「eDNAは、監視や物がどこにあるのかを見つけることについての人々の考え方を本当に変えていると思います」と彼女は言いました。

実際、彼女は eRNA を研究し、限界をさらに押し広げることに取り組んでいます。 DNAが体の設計図であるとすれば、RNAはその設計図を行動に移すのだと彼女は言う。

パセリ氏は、eRNAはeDNAよりも扱いにくいとしながらも、さまざまなウシガエルやタイガーサンショウウオの年齢を決定するためにeRNAを活用したいと述べた。 現時点での eDNA の欠点の 1 つは、科学者が年齢について詳しく知るのに役立つのではなく、何かの量の測定に役立つことだ、とパセリー氏は述べ、eRNA はそれを測定できると信じていると語った。

科学者が研究を望んでいるもう一つの将来の潜在的な研究分野は、eRNAを使用して特定の種のストレスレベルを測定する可能性がある、とパセリ氏は述べた。

eRNA を使って年齢を判定するために、彼女は成体ウシガエルの個体群の中からオタマジャクシを検出しようとしています。ウシガエルは西洋では外来種です。

この種の情報は、遠くで聞こえるウシガエルの声を見つけるために数日から数週間を費やす可能性がある土地管理者に役立つ可能性があります。 パセリさんによると、カエルはただ通り過ぎるだけの場合もあれば、近くの池で繁殖している場合もあるという。

パセリ氏によると、土地管理者が科学者がウシガエルのオタマジャクシが存在するかどうかを確認するために使用できる水のサンプルを提出すれば、大幅な時間と労力を節約できる可能性があるという。

「私たちは、誰かが聞いたこの一匹のカエルを追跡するのに多くの時間を費やすことなく、カエルが繁殖しているかどうかを識別できるようにしようとしています」とパセリ氏は語った。

eDNAやeRNAが保全科学におけるすべての難問を解決するわけではないが、将来的には土地管理者を支援する別のツールとなる可能性があると彼女は述べた。

「eDNAを使用して人的資源と多くの時間を節約し、他のプロジェクトや他の種に愛を広めることができるのはなぜでしょうか」とパセリ氏は語った。

さらにシェルトン氏は、eDNAによって科学がより公平になる可能性があると述べた。 科学者たちは、数日間、あるいは数週間にわたって海上に滞在するための船舶を必要としません。 この技術により、研究資金をあまり利用できない世界の地域でも野生生物の研究が可能になる可能性があるとシェルトン氏は述べた。

「多くの情報を広め、開発が進んでいない場所で活用できるチャンスがある」とシェルトン氏は語った。