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一桶水就能辨識魚種新技術

國立臺灣大學生命科學系范姜文榮編譯/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群副教授責任編輯

生物多樣性的保育與生物資源的永續利用,近年受到各國的重視。為促進生物多樣性,生物多樣性的監測技術是不可或缺的。若想對海洋、河川、湖泊的魚類多樣性進行監測,潛入水中觀察或使用魚網等漁具捕撈等,除需大量勞力及費用外,尚有必要長時間的調查,及具備專業的知識與經驗。

最近研究發現包括魚類等生物,代謝廢物、受傷組織或脫落的表皮細胞等DNA,會隨著體表黏液或糞便等同時被釋放至水體中,此物質稱為「環境DNA(environmental DNA)」。DNA鹼基序列(base sequence)含有辨識物種的訊息,藉由讀取該訊息,能應用在各種層面。過去研究,環境DNA已成功檢出特定外來種的棲息水域、棲息河川內鯉魚的生物量、以及日本天然紀念物種大山椒魚(Japanese giant salamander)的棲息地,其成果受到高度矚目。

但環境DNA不僅只是特定魚種的DNA,也包含其它各種生物的DNA。若能開發出環境DNA分析的有效技術,就能解決魚類多樣性監測目前面臨勞力、時間、及費用等困境。收集環境DNA予以分析,來辨識物種的技術,被稱為「關連族群條碼(metabarcoding)」。過去使用「次世代基因定序儀」解析微生物物種,最近將此技術應用在魚類的環境DNA上,已確認能成功透過水域環境DNA來辨識特定魚種。因此日本東京大學等研究團隊開發新型「魚類關連族群條碼」技術,來檢驗該技術的有效性。

魚類關連族群條碼技術的有效性,需滿足以下三個條件,(1)須找到任何魚種都具有共通且保守的2片段之DNA鹼基序列。(2)該2片段所包夾的鹼基序列「差異」足以辨識魚種。(3)環境DNA易劣化, DNA鹼基序列差異長度宜短。

研究團隊取得880魚種的粒線體基因體(mitochondrial genome),比較全部基因序列,找出滿足上述3條件的DNA鹼基序列。若能設計一對引子(primer)與上述魚類共通2 DNA片段序列結合,該引子就能辨識魚類所特有DNA序列。再藉由聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction;簡稱PCR),將微量且具物種差異性的DNA予以增幅,就能獲得2個引子及2魚種鹼基序列差異所需數量。最後經次世代基因定序儀解析大量樣本。

圖片來源 : http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150722-4/index.html

圖片來源 : http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150722-4/index.html

首先選取全世界約30000萬魚種中具代表性的96種,自組織內抽取DNA,檢驗所設計引子的性能,結果每一種抽取的微量DNA,都能經PCR反應達到良好的增幅。接著,從沖繩美麗海水族館的4個水槽抽出環境DNA予以增幅,經次世代基因定序儀解析,成功檢出4個水槽內飼育超過9成168魚種(93.3%)。另檢出鄰近珊瑚礁開放海域中的93種亞熱帶魚類。

該研究所開發的魚種辨識法,僅需取水一桶數公升,經過濾,再抽取其環境DNA予以分析,非常簡便。目前作為參照的DNA資料庫網羅約5000魚種,若未來能充實魚種DNA資料庫至世界上30000魚種,便能即使未具魚類分類的專業知識,也能進行高效率、高頻率魚類相調查,達到有效監測魚類多樣性的目的。該研究成果於2015年7月刊載科學期刊「Royal Society Open Science」。

名詞解釋

引子 : 於聚合酶連鎖反應(微量DNA片段增幅技術之一),所使用的單股DNA片段。

參考文獻

MiFish, a set of universal PCR primers for metabarcoding environmental DNA from fishes: detection of more than 230 subtropical marine species

M. Miya, Y. Sato, T. Fukunaga, T. Sado, J. Y. Poulsen, K. Sato, T.Minamoto, S. Yamamoto, H. Yamanaka, H. Araki, M. Kondoh, W. Iwasaki

編譯來源:水をくんで調べれば、生息する魚の種類が分かる新技術を開発 ~魚類多様性の調査にもビッグデータ解析時代の到来~

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本文原發表於科學Online-科技部高瞻自然科學教學資源平台,經授權轉載。

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