e-DNA of Environmental-DNA: een krachtig instrument voor het monitoren van (water)organismen?

(1)

1

e-DNA of Environmental-DNA: een krachtig instrument

voor het monitoren van (water)organismen?

Joachim Mergeay INBO

ANKONA, 8.02.2014

(2)

Iedereen laat sporen na

eDNA = environmental DNA = ??

(3)

Vijvers & rivieren: soep met lettertjes

(4)

DNA barcodes: de genetische ID van elk

organisme

DNA barcodes: de genetische vingerafdruk van elk organisme alfabet met slechts vier letters: A, C, T, G

Informatie in slechts tien letters: 410 > 1 miljoen unieke

combinaties

(5)

DNA barcodes: de genetische ID van elk

organisme

combinaties

(6)

DNA barcodes: de genetische ID van elk

organisme

combinaties

Principe voor herkenning soorten:

(7)

DNA barcodes: de genetische ID van elk

organisme

combinaties

(8)

DNA barcodes: de genetische ID van elk

organisme

combinaties

(9)

(10)

DNA barcoding test

(11)

DNA barcoding test

(12)

(13)

DNA barcodes: de genetische ID van elk

organisme

combinaties

Toewijzing van onbekend staal: vergelijken met referentie-databank

Bv. Vleermuiskeutel uit Eijsden (Daan Dekeukeleire) DNA fragment:

(14)

DNA barcoding test

(15)

DNA barcoding test

(16)

Detectie DNA en vermeerdering

Maakt gebruik van zogenaamde “primerparen”: twee korte stukjes DNA met een welbepaalde code die enkel op de complementaire code kunnen binden, en die niet te ver van elkaar te vinden zijn in het DNA.  Zoekfunctie in een digitale tekst: de query moet lang genoeg zijn om een uniek resultaat te geven.

Na binden van primers: biochemische vermeerdering van het stukje tussenliggende tekst: van 1 streng naar 1 miljard op 2 uur tijd.

Enkel als de twee stukjes aanwezig zijn in elkaars buurt treedt er vermeerdering op.

(17)

DNA versus eDNA

eDNA: snelle afbraak in de omgeving

DNA wordt in stukjes geknipt : geen lange teksten lezen!  “potscherven” <100 letters.

Zeer weinig DNA : gevoelige methode! 1 streng DNA …

Techniek als bij oud DNA (bv. Neanderthaler, holenleeuw, …)

Zeer gevoelige methodes ook zeer gevoelig voor fouten…

(18)

Contaminatie…

Methode extreem gevoelig

geen DNA in staal dat er niet hoort te zijn bij staalname:

laarzen, handschoenen, flesjes, filters, tubes, pipetten, reagentia…

bij analyse:

rondzwevend DNA !

 Zeer specifieke, gescheiden laboratoria waar je enkel van hoog-risico naar laag-risico kan bewegen langsheen

overdruiksluizen zonder decontaminatie.

(19)

eDNA in de praktijk

eDNA barcoding: zoeken naar specifieke soort

bv. Stierkikker, kamsalamander, grote modderkruiper, zwemmersjeuk, otter, …

eDNA metabarcoding: welke soorten

aanwezig?

selectie van primers veel moeilijker

per soortgroep op alle soorten

tussenliggende DNA moet soorten

onderscheiden

Nieuwe methodes: elke streng DNA wordt gelezen

 10

9

fragmenten die worden geïdentificeerd

(20)

eDNA barcoding: Stierkikker

Stierkikker in Frankrijk

Eerste studie naar eDNA

LECA, Frankrijk (Ficetola et al. 2008)

Vervolg in Dejean et al. (2012)

49 locaties: traditionele monitoring versus eDNA

3 stalen per locatie

(21)

eDNA barcoding: Stierkikker

Klassieke waarnemingen eDNA

(22)

(23)

(24)

eDNA barcoding: Zilverkarper &

Grootkopkarper

(25)

(26)

(27)

eDNA barcoding: Zilverkarper &

Grootkopkarper

Dure electrische dam om invasieve vissen tegen te

houden:

(28)

eDNA barcoding: Zilverkarper &

Grootkopkarper

Dure electrische dam om invasieve vissen tegen te

houden:

(29)

eDNA barcoding: Zilverkarper &

Grootkopkarper

ECALS 2013 rapport (US Army Corps of Engineers):

Na inmenging hooggerechtshof

Positieve detectie in rivier mogelijk gevolg van

visetende vogels, visserijsector (netten!), etc.

(30)

eDNA barcoding: Zilverkarper &

Grootkopkarper

“The electric barrier in the Chicago Sanitary and Ship

Canal (CSSC) will be shut down for two to five days in

early December for routine maintenance, providing

an opportunity for the Asian carp to advance up the

canal toward Lake Michigan. The electric barrier is

currently the only protection against carp entering

(31)

eDNA barcoding: kwantitatief?

(32)

eDNA barcoding: kwantitatief?

(33)

DNA metabarcoding: de hele

gemeenschap

Niet gericht op specifieke soorten

Welke soorten zitten er?

selectie van primers veel moeilijker

per soortgroep op alle soorten

tussenliggende DNA moet soorten

onderscheiden

Nieuwe methodes: elke streng DNA wordt gelezen

 tot 10

8

fragmenten die worden geïdentificeerd

en

vergeleken met referentie-databank!

(34)

DNA metabarcoding: de hele

gemeenschap

Bv Ji et al. 2013: inventarisatie tropische insecten

Ongelooflijke expertenkennis nodig!!

Ofwel: pureren, en DNA metabarcoding:

(35)

DNA metabarcoding: de hele

gemeenschap

“Here, we validate metabarcoding by testing it against three high-quality standard data sets that were collected in Malaysia (tropical), China (subtropical) and the United Kingdom

(temperate) and that comprised 55,813 arthropod and bird specimens identified to species level with the expenditure of 2,505 person-hours of taxonomic expertise. The metabarcode and standard data sets exhibit statistically correlated alpha- and beta-diversities, and the two data sets produce similar policy

conclusions for two conservation applications: restoration ecology and systematic conservation planning.

Compared with standard biodiversity data sets, metabarcoded samples are taxonomically more

comprehensive, many times quicker to produce, less reliant on taxonomic expertise and auditable by

(36)

DNA metabarcoding: Biotische indices

Plannen van Uhasselt & INBO, ism VMM, PIH

Metabarcoding van macro-invertebraten voor Biotische index en KRW

+

eDNA metabarcoding van waterstalen voor vissen voor KRW tal van uitdagingen!!

 referentiedatabank van MI  stromend water

 Visindex vraagt huidig kwalitatieve & kwantitatieve data

Kunnen we semi-kwantitatief werken met eDNA metabarcoding? Is dit nodig voor goede index?

(37)

DNA metabarcoding: Biotische indices

(38)

eDNA metabarcoding

(39)

eDNA metabarcoding vissen

3 waterstalen van 1.5 L in Denemarken (30 x 50 ml, elke 5 m 1 staal)

15 vissoorten, 1 dwaalgast (of zieke matroos?)

(40)

eDNA metabarcoding vissen

3 waterstalen van 1.5 L in Denemarken (30 x 50 ml, elke 5 m 1 staal)

15 vissoorten, 1 dwaalgast (of zieke matroos?)

(41)

eDNA metabarcoding vissen

Vergelijking van efficiëntie van methodes met eDNA metabarcoding

(42)

Niet enkel waterstalen!

(43)

Carrion flies therefore represent an

(44)

Niet enkel waterstalen!

(45)

Niet enkel waterstalen!

(46)

Samenvatting

DNA, eDNA en (meta)barcoding

formidabel potentieel

Groeiende wetenschappelijke gemeenschap

Nog veel technische uitdagingen

Bio-informatica-kennis is nog limiterend voor eigen

toepassing

Meeste studies tot nu: proof of principle: het

kan

Validatie is verder nodig om grenzen van

kunnen af te tasten

(47)

(48)

Dankwoord

Eva Bellemain, Spygen

Philip Thomsen, Centre for Geogenetics Jelger Herder, Ravon