A vida dos oceanos é amplamente escondida da vista. Monitorando o que vive onde é caro - normalmente exigindo grandes barcos, grandes redes, pessoal qualificado e muito tempo. Uma tecnologia emergente usando o que é chamado de DNA ambiental resolve algumas dessas limitações, fornecendo uma maneira rápida e acessível de descobrir o que está presente abaixo da superfície da água.
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Peixes e outros animais derramam DNA na água, na forma de células, secreções ou excrementos. Cerca de 10 anos atrás, pesquisadores na Europa demonstraram pela primeira vez que pequenos volumes de água do lago continham DNA flutuante suficiente para detectar animais residentes.
Os pesquisadores buscaram, em seguida, o eDNA aquático em múltiplos sistemas de água doce e, mais recentemente, em ambientes marinhos muito maiores e mais complexos. Embora o princípio do eDNA aquático esteja bem estabelecido, estamos apenas começando a explorar seu potencial para detectar peixes e sua abundância em ambientes marinhos específicos. A tecnologia promete muitas aplicações práticas e científicas, desde ajudar a definir cotas de peixes sustentáveis e avaliar proteções para espécies ameaçadas, a fim de avaliar os impactos de parques eólicos no mar.
Quem está no Hudson, quando?
Em nosso novo estudo, meus colegas e eu testamos o quão bem o eDNA aquático detectou peixes no estuário do Rio Hudson, ao redor da cidade de Nova York. Apesar de ser o estuário mais densamente urbanizado na América do Norte, a qualidade da água melhorou dramaticamente nas últimas décadas, e o estuário recuperou parcialmente seu papel como habitat essencial para muitas espécies de peixes. A melhoria da saúde das águas locais é destacada pela aparição regular de baleias jubarte no outono, alimentando-se de grandes cardumes de águas cristalinas do Atlântico nas fronteiras do porto de Nova York, dentro do local do Empire State Building.
Preparando-se para arremessar o balde de coleta no rio. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Nosso estudo é o primeiro registro da migração primaveril de peixes oceânicos através da realização de testes de DNA em amostras de água. Colhemos amostras de água de um litro (cerca de um quarto) semanalmente em dois locais da cidade de janeiro a julho de 2016. Como a costa de Manhattan é blindada e elevada, jogamos um balde em uma corda na água. As amostras de inverno tinham pouco ou nenhum peixe eDNA. A partir de abril, houve um aumento constante nos peixes detectados, com cerca de 10 a 15 espécies por amostra no início do verão. As descobertas da eDNA correspondiam em grande parte ao nosso conhecimento existente sobre os movimentos dos peixes, obtidos com dificuldade de décadas de pesquisas tradicionais.
Nossos resultados demonstram a qualidade “Goldilocks” do eDNA aquático - parece durar o tempo certo para ser útil. Se desaparecesse muito rapidamente, não conseguiríamos detectá-lo. Se durasse por muito tempo, não detectamos diferenças sazonais e provavelmente encontraríamos DNAs de muitas espécies oceânicas de água doce e de mar aberto, bem como de peixes de estuário locais. Pesquisas sugerem que o DNA decai de horas a dias, dependendo da temperatura, das correntes e assim por diante.
No total, obtivemos eDNAs que correspondem a 42 espécies de peixes marinhos locais, incluindo a maioria (80%) das espécies localmente abundantes ou comuns. Além disso, das espécies que detectamos, as espécies abundantes ou comuns foram mais freqüentemente observadas do que as espécies localmente incomuns. Que a espécie eDNA detectou observações tradicionais combinadas de peixes localmente comuns em termos de abundância é uma boa notícia para o método - ela suporta o eDNA como um índice de números de peixes. Esperamos que eventualmente possamos detectar todas as espécies locais - coletando volumes maiores, em locais adicionais no estuário e em diferentes profundidades.
Peixes identificados via eDNA em amostras de um dia do East River da cidade de Nova York. (Departamento de Conservação Ambiental do Estado de Nova York: alewife (espécie de arenque), robalo, enguia americana, mummichog; Departamento de Pesca e Pesca de Massachusetts: robalo, anchova, peixe-rei do Atlântico; Associação de Mergulho de New Jersey: oyste) Além das espécies marinhas locais, também encontramos espécies localmente raras ou ausentes em algumas amostras. A maioria era de peixe que comemos - tilápia do Nilo, salmão do Atlântico, robalo europeu (“branzino”). Nós especulamos que eles vieram de águas residuais - embora o Hudson seja mais limpo, a contaminação do esgoto persiste. Se é assim que o DNA entrou no estuário neste caso, então pode ser possível determinar se uma comunidade está consumindo espécies protegidas testando suas águas residuais. Os exóticos restantes que encontramos foram espécies de água doce, surpreendentemente poucas, dadas as grandes entradas diárias de água doce no estuário de água salgada da bacia hidrográfica de Hudson.
Filtrando a água do estuário de volta ao laboratório. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analisando o DNA nu
Nosso protocolo usa métodos e equipamentos padrão em um laboratório de biologia molecular e segue os mesmos procedimentos usados para analisar microbiomas humanos, por exemplo.
Após a coleta, corremos amostras de água através de um pequeno filtro de tamanho de poro (0, 45 mícron) que prende o material suspenso, incluindo células e fragmentos de células. Extraímos o DNA do filtro e amplificamos usando a reação em cadeia da polimerase (PCR). PCR é como "xeroxing" uma seqüência de DNA em particular, produzindo cópias suficientes para que possa ser facilmente analisada.
Temos como alvo o DNA mitocondrial - o material genético dentro da mitocôndria, a organela que gera a energia da célula. O DNA mitocondrial está presente em concentrações muito mais altas que o DNA nuclear e, portanto, é mais fácil de detectar. Ele também tem regiões que são as mesmas em todos os vertebrados, o que facilita a amplificação de várias espécies.
eDNA e outros detritos deixados no filtro após a passagem da água do estuário. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Marcamos cada amostra amplificada, reunimos as amostras e as enviamos para o seqüenciamento de próxima geração. O cientista e co-autor da Rockefeller University, Zachary Charlop-Powers, criou o pipeline bioinformático que avalia a qualidade da sequência e gera uma lista das sequências únicas e “números lidos” em cada amostra. Quantas vezes detectamos cada sequência única.
Para identificar espécies, cada sequência única é comparada com as do banco de dados público GenBank. Nossos resultados são consistentes com o número de leituras sendo proporcional ao número de peixes, mas é necessário mais trabalho sobre a relação precisa do eDNA e a abundância de peixes. Por exemplo, alguns peixes podem lançar mais DNA do que outros. Os efeitos da mortalidade de peixes, temperatura da água, ovos e larvas contra formas adultas também podem estar em jogo.
Assim como nos programas criminais de televisão, a identificação do eDNA depende de um banco de dados abrangente e preciso. Em um estudo piloto, identificamos espécies locais que estavam faltando no banco de dados do GenBank, ou tinham seqüências incompletas ou incompatíveis. Para melhorar as identificações, sequenciamos 31 espécimes representando 18 espécies de coleções científicas da Universidade de Monmouth e de lojas de iscas e mercados de peixes. Este trabalho foi em grande parte feito pelo estudante pesquisador e co-autor Lyubov Soboleva, um sênior da John Bowne High School, em Nova York. Depositamos essas novas seqüências no GenBank, aumentando a cobertura do banco de dados para cerca de 80% de nossas espécies locais.
Sites de coleta do estudo em Manhattan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Nós nos concentramos em peixes e outros vertebrados. Outros grupos de pesquisa aplicaram uma abordagem de eDNA aquático para invertebrados. Em princípio, a técnica poderia avaliar a diversidade de toda vida animal, vegetal e microbiana em um habitat particular. Além de detectar animais aquáticos, o eDNA reflete animais terrestres em bacias próximas. Em nosso estudo, o animal selvagem mais comum detectado nas águas de Nova York foi o rato marrom, um habitante urbano comum.
Estudos futuros podem empregar veículos autônomos para coletar rotineiramente locais remotos e profundos, ajudando-nos a entender melhor e gerenciar a diversidade da vida marinha.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
Mark Stoeckle, pesquisador sênior associado no Programa para o Ambiente Humano, The Rockefeller University
