$ 180 millioner DNA barcode -projektet sigter mod at opdage 2 millioner nye arter

På Borneo til en 2018-ekspedition for at finde nye arter forbereder evolutionærbiolog Marta Paterno fra Verona universitet i Italien prøver til en bærbar DNA-sequencer (center, højre for bærbar computer).

PIERRE ESCOUBAS / TAXON EXPEDITIONS 2018

$ 180 millioner DNA barcode -projektet sigter mod at opdage 2 millioner nye arter

Af Elizabeth PennisiJun. 6, 2019, 14:00

I århundreder har biologer identificeret nye arter i et omhyggeligt langsomt tempo og beskriver eksemplernes fysiske træk og andre definerende træk og prøver ofte at passe en art ind i livets træ, før de navngiver og offentliggør den. Nu er de begyndt at afgøre, om et eksemplar sandsynligvis er en ny art i timevis og snart vil gøre det til en pris for øre. Det er en revolution drevet af korte strækninger af DNA b b b b b b b b b b b b b b b b b vary vary vary vary vary vary vary vary vary vary vary th vary vary vary vary vary vary vary vary vary vary vary vary vary provide provide provide

"Biodiversitetsvidenskab er på vej ind i en meget gylden æra, " siger Paul Hebert fra University of Guelph i Canada. Den 16. juni lancerer et team, han leder, en global indsats på $ 180 millioner for at identificere mere end 2 millioner nye arter af flercellede væsener. Andre hold vedtager også fremgangsmåden til at kæmpe prøver til nye arter i deres laboratorier eller endda direkte i marken. Da verden mister arter hurtigere, end de opdages, bifalder biologer teknologien.

"I mange år drømte jeg om at ændre reglerne ved at være i stand til at bringe et bærbart genomisk laboratorium [til] hvor prøverne er, " siger Massimo Delledonne, genomiker ved Universitetet i Verona i Italien, der for nylig udførte stregkodningsundersøgelser i en skov på øen Borneo, der hurtigt afslørede en ny art af snegle. "Feltkodning er nu klar til prime time."

Biodiversitetseksperter estimerer, at Jorden har mellem 8, 7 millioner og 20 millioner slags planter, dyr og svampe, men indtil videre har kun 1, 8 millioner af dem modtaget formelle beskrivelser. Insekter er især et stort område af uopdagede arter. ”Alligevel kan de muligvis bidrage med mere biomasse i terrestriske levesteder end alle vilde hvirveldyr tilsammen, ” siger Rudolf Meier, en biolog fra National University of Singapore, der har udviklet stregkodningsmetoder med en lille DNA-sequencer.

I 2003 foreslog Hebert DNA-stregkodekonceptet: at dyrearter kunne skelnes ved sekventering af mindre end 1000 baser af mitokondrielt DNA fra et eksemplar. Det tog et stykke tid, før ideen blev fanget, men Hebert og andre entusiaster begyndte at samle stregkoder fra kendte arter. I 2010 ledte han for eksempel et konsortium kaldet International Barcode of Life (iBOL), en indsats på $ 80 millioner centreret ved Guelph, der begyndte at bygge et referencebibliotek med kendte arter med deres identificerende sekvenser. Det topper nu 7, 3 millioner stregkoder eachte arter kan have mere end en og har vist sig at være en ressource ikke kun til at identificere kendte organismer, men også til at dokumentere deres interaktion med andre arter inklusive hvem der spiser hvem baseret på de forskellige stregkoder i en bestemt prøve.

En miniaturiseret DNA-sequencer, der blev taget til Madagaskar, identificerede musemurarter i en skov.

LYDIA GREENE

Nu, med yderligere support i penge og naturalier fra sine 30 internationale partnere, er iBOL ved at starte en 7-årig opfølgningsindsats. Det kaldes BIOSCAN og vil samle eksemplarer og studere artsinteraktioner på 2500 steder rundt om i verden med det formål at udvide sit referencebibliotek med 15 millioner stregkodeposter, 90% af dem kommer fra ubeskrevne arter. Dataene vil sætte scenen for overvågning af virkningen af ​​forurening, ændringer i arealanvendelse og global opvarmning på den biologiske mangfoldighed, siger Hebert. I sidste ende, "Vi vil være i stand til at spore livet på planeten, som vi sporer vejret."

Og i en afvigelse fra iBOLs tidligere fokus på at udlede stregkoder for kendte arter, "Et af de primære mål vil være artsopdagelse, " siger Hebert. Hvis software ikke matcher en prøves stregkodesekvens til en eksisterende art, markeres den straks prøven for nærmere genetisk og visuel kontrol og mulig identifikation som en ny art. Tidligere kan det have taget år eller endda årtier at bekræfte nogle organismer som nye arter - for eksempel visse fluer, hvor arter kun adskiller sig synligt i form af det mandlige kønsorgan.

Tilpassede bioinformatik og sequencere, der kan læse nok baser i et skud til at få en fuld stregkode, vil holde omkostningerne lave, forudsiger Hebert — omkring $ 1 pr. Prøve inklusive indsamling, konservering, DNA-ekstraktion, sekventering og opfølgningsanalyse. Han forventer, at sekventeringskomponenten af ​​de samlede omkostninger til sidst vil falde til ca. $ 0, 02 pr. Prøve.

På nuværende tidspunkt vil alle prøver, der er samlet til BIOSCANs stregkodning, blive sendt til University of Guelph. Men Meier har udviklet en stregkodningstilgang, som han håber vil være tilgængelig for mange laboratorier, der udfører artsundersøgelser. Han blev interesseret i mere effektive måder at identificere arter i 2012, da embedsmænd i Singapore bad ham om at undersøge små fluer, der opstod fra to lokale reservoirer. ”Det var et mareridt” at fastlægge den ansvarlige midge-art, minder han om. Som et resultat vendte han også til stregkodning.

Nu katalogiserer han hele Singapores biologiske mangfoldighed, især det "stille flertal", som han kalder små insekter. Til dette arbejde siger Meier, "Vi opgav de overkonstruerede og dyre teknikker, der traditionelt bruges til stregkodning." I stedet har han henvendt sig til en nyligt udviklet sequencer kaldet MinION, der er på størrelse med en mobiltelefon og koster mindre end $ 1000. Designet til at identificere DNA's fire baser ud fra hvordan de ændrer en elektrisk strøm, når de passerer gennem en nanometerpore, sekvenserer det tusinder af baser i en strækning, mere end nok til en stregkode.

I samarbejde med studerende og frivillige i Singapore, som både indsamler og sekvenserer prøver, har Meiers team allerede genereret 200.000 insektstregkoder. Disse repræsenterer 10.000 arter, mere end 70% af dem er nye inden for videnskab, rapporterede han og hans kolleger sidste år. Meier forestiller sig mange lande, der opretter en sådan lab-baseret indsats for uafhængigt at katalogisere deres biologiske mangfoldighed.

Hans gruppe demonstrerede for nylig kraften i tilgangen med en undersøgelse af de insekter, som en entomolog havde fanget i en enkelt netfælde i Kibale National Park i Uganda. Meier og hans kolleger fokuserede på en meget stor, forskelligartet gruppe af fluer kaldet Phoridae, som det er vanskeligt at skelne fra hinanden. Stregkodning af kun en tredjedel af fældens mængde insekter - omkring 8700 i alt - gav 650 phoridae-arter nye for videnskaben, rapporterede teamet i en fortrykspremie den 30. april om bioRxiv. Det er mere end alle de kendte Phoridae i det tropiske Afrika. Emily Hartop fra Stockholms Universitet, en ekspert inden for identifikation af flue, bekræftede, at stregkoder adskilte arter korrekt 90% af tiden, rapporterer Meiers gruppe.

Tallene viser "der er en masse mangfoldighed derude, som vi ikke har navngivet og ikke ved om, " siger John Kress, en botaniker ved Smithsonian Institution's National Museum of Natural History i Washington, DC

Delledonne og hans kolleger har arbejdet på måder at gøre på fjerntliggende feltsteder, hvad Meier gør i hans Singapore-laboratorium. De bruger også en MinION-sequencer, der typisk køres af en bærbar computer. Den bærbare computer kræver normalt en internetforbindelse, men sequencer's producent, Oxford Nanopore Technologies, gjorde det muligt for systemet at arbejde på fjerntliggende steder uden sådan adgang. Alt, hvad der kræves til stregkodning, passer i en kuffert.

På en Borneo-ekspedition i 2018 slog teamet sig sammen med borgerforskere og stregkodede omkring et dusin dyr, blandt dem en ny snegl, de kaldte Microparmarion exquadratus og beskrev sidste år i Journal of Molluscan Studies . I en 6. maj bioRxiv-fortryk detaljerede gruppen deres protokoller, så andre kan følge deres fodspor. Enhver med et par dages træning kan nu sætte sig op til at udføre stregkodning i marken for mindre end $ 7000, foreslår Delledonne. "Vi ser, hvordan smartphones har ændret vores liv. Vi har vist, at sekventering kan følge den samme tendens."

Faktisk har et team fra Duke University i Durham, North Carolina, netop rapporteret om en lignende feltundersøgelse med en MinION i Madagaskar-tørskoven og opnået stregkoder for at identificere musememurer. For et par årtier siden var der kun få arter af disse hemmelighedsfulde, nattlige primater, der var kendt. Talet er nu op til 24, men det er stadig langsomt at finde nye arter. ”Det kan undertiden tage år, ” siger Duke-primatolog Marina Blanco. I en 26. maj bioRxiv-fortryk beskrev hun, hertugøkolog Lydia Greene og kolleger ved hjælp af et MinION-baseret stregkodesystem til at tage en DNA-prøve fra et levende fanget lemur, stregkode det og beslutte på stedet, om det var en ny art .

Duke-arbejdet, siger Delledonne, er et "godt eksempel på, hvad der vil være virkningen af ​​mobile genomiske laboratorier på økologiske og evolutionære undersøgelser."

For Meier er sådanne feltundersøgelser sammen med sit eget laboratorium arbejde godt for demokratiseringen af ​​stregkodning: "Det peger alle sammen på en lys fremtid for decentraliseret biodiversitetsvidenskab, der giver hurtige resultater." Men Kress mener, at industrielle bestræbelser som BIOSCAN også vil være vigtige, hvis der er håb om at katalogisere alle arter på planeten. ”Det skal være begge fremgangsmåder parallelt, ” siger han. "Vi får aldrig gjort det, hvis vi gør det i individuelle laboratorier."

Anbefalet