La vie océanique est en grande partie cachée. Contrôler ce qui vit et où cela coûte cher - nécessite généralement de gros bateaux, de gros filets, du personnel qualifié et beaucoup de temps. Une technologie émergente utilisant ce qu’on appelle l’ADN environnemental élimine certaines de ces limitations, offrant un moyen rapide et abordable de déterminer ce qui se trouve sous la surface de l’eau.
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Les poissons et autres animaux ont libéré de l'ADN dans l'eau sous forme de cellules, de sécrétions ou d'excréments. Il y a environ 10 ans, des chercheurs européens ont d'abord démontré que de petits volumes d'eau de bassin contenaient suffisamment d'ADN flottant pour détecter les animaux résidents.
Les chercheurs ont par la suite recherché des ADNe aquatiques dans plusieurs systèmes d'eau douce, et plus récemment dans des environnements marins beaucoup plus vastes et complexes. Bien que le principe de l’ADNa aquatique soit bien établi, nous commençons tout juste à explorer son potentiel de détection des poissons et de leur abondance dans des environnements marins particuliers. La technologie promet de nombreuses applications pratiques et scientifiques, allant de la définition de quotas de pêche durables à l’évaluation des protections des espèces menacées d’extinction, en passant par l’évaluation des impacts des parcs éoliens offshore.
Qui est dans l'Hudson, quand?
Dans notre nouvelle étude, mes collègues et moi avons testé dans quelle mesure l’ADNe aquatique pouvait détecter les poissons dans l’estuaire de la rivière Hudson entourant New York. Bien qu'il s'agisse de l'estuaire le plus urbanisé d'Amérique du Nord, la qualité de l'eau s'est considérablement améliorée au cours des dernières décennies et l'estuaire a en partie retrouvé son rôle d'habitat essentiel pour de nombreuses espèces de poissons. L’amélioration de la santé des eaux locales est mise en évidence par l’apparition à l’automne à l’heure actuelle de baleines à bosse se nourrissant de grands bancs de menhaden de l’Atlantique aux frontières du port de New York, sur le site de l’Empire State Building.
Préparer à jeter le seau de collecte dans la rivière. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Notre étude est le premier enregistrement de la migration printanière des poissons de mer en effectuant des tests ADN sur des échantillons d'eau. Nous avons collecté des échantillons d'eau d'un litre (environ un quart) par semaine sur deux sites de la ville de janvier à juillet 2016. Le littoral de Manhattan étant blindé et surélevé, nous avons jeté un seau sur une corde dans l'eau. Les échantillons d’hiver contenaient peu ou pas d’ADNd de poisson. À partir d'avril, on a constaté une augmentation constante du nombre de poissons détectés, avec environ 10 à 15 espèces par échantillon au début de l'été. Les résultats de l'e-ADN correspondaient largement à nos connaissances actuelles sur les mouvements de poisson, difficilement acquis par des décennies de relevés traditionnels de la senne.
Nos résultats démontrent la qualité «Goldilocks» de l’ADNe aquatique - il semble durer suffisamment longtemps pour être utile. Si cela disparaissait trop vite, nous ne pourrions pas le détecter. Si cela durait trop longtemps, nous ne détecterions pas de différences saisonnières et trouverions probablement les ADN de nombreuses espèces d'eau douce et d'océan ouvert, ainsi que celles de poissons de l'estuaire locaux. La recherche suggère que l’ADN se désintègre en heures ou en jours, en fonction de la température, des courants, etc.
Au total, nous avons obtenu des ADNe correspondant à 42 espèces de poissons marins locales, y compris la plupart (80%) des espèces localement abondantes ou communes. De plus, parmi les espèces que nous avons détectées, des espèces abondantes ou communes ont été observées plus fréquemment que des espèces localement peu communes. Le fait que l'espèce, l'ADN complémentaire détectée, corresponde aux observations traditionnelles des poissons localement communs en termes d'abondance est une bonne nouvelle pour la méthode: il prend en charge l'ADN complémentaire en tant qu'indice du nombre de poissons. Nous espérons pouvoir éventuellement détecter toutes les espèces locales - en collectant des volumes plus importants, sur des sites supplémentaires dans l'estuaire et à différentes profondeurs.
Poisson identifié via l'e-ADN dans un échantillon d'une journée de l'East River à New York. (Département de la protection de l’environnement de l’État de New York: gaspareau (espèce de hareng), bar rayé, anguille américaine, mummichog; département de la pêche sportive du Massachusetts: bar noir, poisson bleu, silverside de l’Atlantique; oyste) En plus des espèces marines locales, nous avons également trouvé des espèces rares ou absentes localement dans quelques échantillons. La plupart étaient des poissons que nous mangeons - tilapia du Nil, saumon atlantique, bar européen (“branzino”). Nous pensons que ces eaux provenaient d'eaux usées - même si l'Hudson est plus propre, la contamination par les eaux usées persiste. Si c'est ainsi que l'ADN a pénétré dans l'estuaire dans ce cas, il serait alors possible de déterminer si une communauté consomme des espèces protégées en analysant ses eaux usées. Les espèces exotiques restantes que nous avons trouvées étaient des espèces d’eau douce, étonnamment peu nombreuses étant donné les importants apports quotidiens d’eau douce dans l’estuaire salé du bassin versant de l’Hudson.
Filtrer l'eau de l'estuaire dans le laboratoire. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Analyser l'ADN nu
Notre protocole utilise des méthodes et des équipements standard dans un laboratoire de biologie moléculaire et suit les mêmes procédures que celles utilisées pour analyser les microbiomes humains, par exemple.
Après la collecte, nous passons des échantillons d’eau à travers un filtre de petite taille (0, 45 micron) qui retient les matières en suspension, y compris les cellules et leurs fragments. Nous extrayons l'ADN du filtre et l'amplifions à l'aide de la réaction en chaîne de la polymérase (PCR). La PCR est comme «xéroxer» une séquence d’ADN particulière, en produisant suffisamment de copies pour qu’elle puisse être facilement analysée.
Nous avons ciblé l'ADN mitochondrial - le matériel génétique de la mitochondrie, l'organelle qui génère l'énergie de la cellule. L'ADN mitochondrial est présent à des concentrations beaucoup plus élevées que l'ADN nucléaire et est donc plus facile à détecter. Il présente également des régions identiques chez tous les vertébrés, ce qui nous permet d’amplifier plus facilement de multiples espèces.
L'ADN électronique et d'autres débris laissés sur le filtre après le passage de l'eau de l'estuaire. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Nous avons étiqueté chaque échantillon amplifié, regroupé les échantillons et les avons envoyés pour un séquençage de nouvelle génération. Le scientifique et co-auteur de l'Université Rockefeller, Zachary Charlop-Powers, a créé le pipeline bioinformatique qui évalue la qualité des séquences et génère une liste des séquences uniques et des «nombres lus» dans chaque échantillon. C'est combien de fois nous avons détecté chaque séquence unique.
Pour identifier les espèces, chaque séquence unique est comparée à celles de la base de données publique GenBank. Nos résultats concordent avec le nombre de lectures étant proportionnel au nombre de poissons, mais davantage de travail est nécessaire sur la relation précise entre l'ADN e et l'abondance des poissons. Par exemple, certains poissons peuvent perdre plus d’ADN que d’autres. Les effets de la mortalité des poissons, de la température de l’eau, des œufs et des larves de poissons par rapport aux formes adultes pourraient également être en jeu.
Comme dans les émissions télévisées télévisées, l'identification par ADNe repose sur une base de données complète et précise. Dans une étude pilote, nous avons identifié des espèces locales qui étaient absentes de la base de données GenBank ou dont les séquences étaient incomplètes ou incompatibles. Pour améliorer les identifications, nous avons séquencé 31 spécimens représentant 18 espèces issues de collections scientifiques de l'Université de Monmouth, de magasins d'appâts et de marchés aux poissons. Ce travail a été réalisé en grande partie par Lyubov Soboleva, étudiant-chercheur et co-auteur, senior au lycée John Bowne High School à New York. Nous avons déposé ces nouvelles séquences dans GenBank, augmentant ainsi la couverture de la base de données à environ 80% de nos espèces locales.
Sites de collecte de l'étude à Manhattan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Nous nous sommes concentrés sur les poissons et autres vertébrés. D'autres groupes de recherche ont appliqué une approche d'ADN électronique aquatique aux invertébrés. En principe, la technique pourrait évaluer la diversité de la vie animale, végétale et microbienne dans un habitat particulier. En plus de détecter les animaux aquatiques, l'eDNA reflète les animaux terrestres dans les bassins versants à proximité. Dans notre étude, l'animal sauvage le plus commun détecté dans les eaux de la ville de New York était le rat brun, un habitant urbain courant.
Les études futures pourraient utiliser des véhicules autonomes pour échantillonner régulièrement des sites profonds et éloignés, nous aidant ainsi à mieux comprendre et gérer la diversité de la vie océanique.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Mark Stoeckle, associé de recherche principal dans le programme pour l'environnement humain, Université Rockefeller
