Técnica genética para identificar organismos en muestras mixtas
La metacodificación de barras es la codificación de barras del ADN / ARN (o eDNA / eRNA ) de manera que permita la identificación simultánea de muchos taxones dentro de la misma muestra. La principal diferencia entre la codificación de barras y la metacodificación de barras es que la metacodificación de barras no se centra en un organismo específico, sino que tiene como objetivo determinar la composición de especies dentro de una muestra.
El procedimiento de metacodificación de barras, al igual que la codificación de barras general, se desarrolla en orden a través de las etapas de extracción de ADN , amplificación por PCR , secuenciación y análisis de datos . Se utilizan diferentes genes dependiendo de si el objetivo es codificar con barras una sola especie o metacodificar varias especies. En este último caso, se utiliza un gen más universal. La metacodificación de barras no utiliza ADN/ARN de una sola especie como punto de partida, sino ADN/ARN de varios organismos diferentes derivados de una muestra ambiental o masiva.
ADN ambiental
El ADN ambiental o eDNA describe el material genético presente en muestras ambientales como sedimentos, agua y aire, incluyendo células enteras, ADN extracelular y potencialmente organismos completos. [3] [4] El eDNA puede ser capturado de muestras ambientales y preservado , extraído , amplificado , secuenciado y categorizado en base a su secuencia. [5] A partir de esta información, es posible la detección y clasificación de especies. El eDNA puede provenir de piel, mucosas, saliva, esperma, secreciones, huevos, heces, orina, sangre, raíces, hojas, frutas, polen y cuerpos en descomposición de organismos más grandes, mientras que los microorganismos pueden obtenerse en su totalidad. [6] [7] [4] La producción de eDNA depende de la biomasa , edad y actividad alimentaria del organismo, así como de la fisiología, historia de vida y uso del espacio. [4] [8] [9] [10]
En 2019, los métodos de investigación del ADN ambiental se habían ampliado para poder evaluar comunidades enteras a partir de una sola muestra. Este proceso implica la metacodificación de barras, que se puede definir con precisión como el uso de cebadores de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) generales o universales en muestras de ADN mixtas de cualquier origen, seguido de una secuenciación de próxima generación (NGS) de alto rendimiento para determinar la composición de especies de la muestra. Este método ha sido común en microbiología durante años, pero, a partir de 2020, recién está encontrando su lugar en la evaluación de macroorganismos. [11] [12] [13] Las aplicaciones de la metacodificación de barras del ADN ambiental en todo el ecosistema tienen el potencial no solo de describir comunidades y biodiversidad, sino también de detectar interacciones y ecología funcional en grandes escalas espaciales, aunque puede estar limitado por lecturas falsas debido a contaminación u otros errores. [7] [14] [12] [9] En conjunto, la codificación de barras metabólica de eDNA aumenta la velocidad, la precisión y la identificación en comparación con la codificación de barras tradicional y reduce los costos, pero necesita estandarizarse y unificarse, integrando la taxonomía y los métodos moleculares para un estudio ecológico completo. [11] [15] [16] [17] [9] [10]
La codificación metabólica de ADN ambiental tiene aplicaciones en el monitoreo de la diversidad en todos los hábitats y grupos taxonómicos, la reconstrucción de ecosistemas antiguos, las interacciones entre plantas y polinizadores, el análisis de la dieta, la detección de especies invasoras, las respuestas a la contaminación y el monitoreo de la calidad del aire. La codificación metabólica de ADN ambiental es un método único que aún se encuentra en desarrollo y probablemente seguirá en constante cambio durante algún tiempo a medida que avance la tecnología y se estandaricen los procedimientos. Sin embargo, a medida que la codificación metabólica se optimice y su uso se generalice, es probable que se convierta en una herramienta esencial para el monitoreo ecológico y el estudio de la conservación global. [10]
ADN de la comunidad
Desde el inicio de la secuenciación de alto rendimiento ( HTS ), [19] el uso de metabarcoding como herramienta de detección de biodiversidad ha generado un inmenso interés. [12] [20] Sin embargo, aún no ha habido claridad con respecto a qué material de origen se utiliza para realizar análisis de metabarcoding (por ejemplo, ADN ambiental versus ADN comunitario ). Sin claridad entre estos dos materiales de origen, las diferencias en el muestreo, así como las diferencias en los procedimientos de laboratorio, pueden afectar los procesos bioinformáticos posteriores utilizados para el procesamiento de datos y complicar la interpretación de los patrones espaciales y temporales de la biodiversidad. Aquí, buscamos diferenciar claramente entre los materiales de origen predominantes utilizados y su efecto en el análisis e interpretación posteriores para la metabarcoding de ADN ambiental de animales y plantas en comparación con el de la metabarcoding de ADN comunitario. [13]
En la codificación metabólica del ADN comunitario de animales y plantas, los grupos objetivo suelen recolectarse en masa (por ejemplo, suelo, trampa o red de malestar), y los individuos se retiran de otros restos de muestra y se agrupan antes de la extracción masiva de ADN. [12] Por el contrario, el ADN ambiental de macroorganismos se aísla directamente de un material ambiental (por ejemplo, suelo o agua) sin segregación previa de organismos individuales o material vegetal de la muestra y supone implícitamente que el organismo completo no está presente en la muestra. Por supuesto, las muestras de ADN comunitario pueden contener ADN de partes de tejidos, células y orgánulos de otros organismos (por ejemplo, contenido intestinal, ADN intracelular o extracelular cutáneo). Del mismo modo, las muestras de ADN ambiental de macroorganismos pueden capturar inadvertidamente organismos microscópicos completos no objetivo (por ejemplo, protistas, bacterias). Por lo tanto, la distinción puede fallar al menos parcialmente en la práctica. [13]
Otra distinción importante entre el ADN comunitario y el eADN de macroorganismos es que las secuencias generadas a partir de la metacodificación de barras del ADN comunitario se pueden verificar taxonómicamente cuando los especímenes no se destruyen en el proceso de extracción. En este caso, las secuencias se pueden generar a partir de especímenes de referencia utilizando la secuenciación de Sanger. Como las muestras para la metacodificación de barras del eADN carecen de organismos completos, no se pueden realizar tales comparaciones in situ. Por lo tanto, las afinidades taxonómicas solo se pueden establecer comparando directamente las secuencias obtenidas (o mediante unidades taxonómicas operativas (MOTU) generadas bioinformáticamente), con secuencias que están anotadas taxonómicamente, como la base de datos de nucleótidos GenBank del NCBI, [21] BOLD , [22] o con bases de datos de referencia autogeneradas a partir del ADN secuenciado por Sanger. [23] [24] [25] (La unidad taxonómica operativa molecular (MOTU) es un grupo identificado mediante el uso de algoritmos de agrupamiento y un porcentaje predefinido de similitud de secuencia, por ejemplo, 97%)). [26] [13] Luego, para corroborar al menos parcialmente la lista resultante de taxones, se realizan comparaciones con métodos de estudio convencionales físicos, acústicos o visuales realizados al mismo tiempo o se comparan con registros históricos de estudios para una ubicación (ver Tabla 1). [13]
Por lo tanto, la diferencia en el material de origen entre el ADN comunitario y el eADN tiene ramificaciones distintas para interpretar la escala de inferencia para el tiempo y el espacio sobre la biodiversidad detectada. A partir del ADN comunitario, está claro que las especies individuales se encontraron en ese tiempo y lugar, pero para el eADN, el organismo que produjo el ADN puede estar aguas arriba de la ubicación muestreada, [27] o el ADN puede haber sido transportado en las heces de una especie depredadora más móvil (por ejemplo, aves que depositan eADN de peces, [28] o estaba presente previamente, pero ya no está activo en la comunidad y la detección se realiza a partir del ADN que se desprendió años o décadas antes. [29] Esto último significa que la escala de inferencia tanto en el espacio como en el tiempo debe considerarse cuidadosamente al inferir la presencia de la especie en la comunidad basándose en el eADN. [13]
Etapas de la codificación metabólica
Existen seis etapas o pasos en la codificación de barras y la metacodificación de barras del ADN. La codificación de barras del ADN de los animales (y, en concreto, de los murciélagos ) se utiliza como ejemplo en el diagrama de la derecha y en el análisis que aparece inmediatamente debajo.
En primer lugar, se eligen regiones de código de barras de ADN adecuadas para responder a alguna pregunta de investigación específica. La región de código de barras de ADN más comúnmente utilizada para animales es un segmento de aproximadamente 600 pares de bases de longitud del gen mitocondrial citocromo oxidasa I (CO1). [2] Este locus proporciona una gran variación de secuencia entre especies pero una cantidad relativamente pequeña de variación dentro de las especies. [31] Otras regiones de código de barras comúnmente utilizadas para la identificación de especies de animales son las regiones de ADN ribosómico (ADNr) como 16S , 18S y 12S y las regiones mitocondriales como el citocromo B. [32] [33] [34] [35] Estos marcadores tienen ventajas y desventajas y se utilizan para diferentes propósitos. [ 36] [37] A menudo se necesitan regiones de código de barras más largas (al menos 600 pares de bases de longitud) para una delimitación precisa de las especies, especialmente para diferenciar parientes cercanos. La identificación del productor de restos de organismos como heces, pelos y saliva puede utilizarse como medida indirecta para verificar la ausencia o presencia de una especie en un ecosistema. El ADN presente en estos restos suele ser de baja calidad y cantidad, por lo que en estos casos se utilizan códigos de barras más cortos, de alrededor de 100 pares de bases. De manera similar, los restos de ADN presentes en el estiércol también suelen degradarse, por lo que se necesitan códigos de barras cortos para identificar las presas consumidas. [30]
En segundo lugar, es necesario crear una base de datos de referencia de todos los códigos de barras de ADN que puedan aparecer en un estudio. Lo ideal es que estos códigos de barras se generen a partir de especímenes registrados depositados en un lugar de acceso público, como por ejemplo un museo de historia natural u otro instituto de investigación. [30] En la actualidad, se están creando bases de datos de referencia de este tipo en todo el mundo. Las organizaciones asociadas colaboran en proyectos internacionales como el Proyecto Internacional de Código de Barras de la Vida (iBOL) y el Consorcio para el Código de Barras de la Vida (CBOL), con el objetivo de construir una referencia de código de barras de ADN que será la base para la identificación basada en el ADN del bioma del mundo. Los repositorios de códigos de barras más conocidos son NCBI GenBank y el Sistema de Datos de Código de Barras de la Vida (BOLD). [30]
En tercer lugar, las células que contienen el ADN de interés deben romperse para exponer su ADN. Este paso, extracciones y purificaciones de ADN , debe realizarse a partir del sustrato en investigación. Hay varios procedimientos disponibles para esto. [38] Se deben elegir técnicas específicas para aislar el ADN de sustratos con ADN parcialmente degradado, por ejemplo, muestras fósiles y muestras que contienen inhibidores, como sangre, heces y tierra. Las extracciones en las que se espera que el rendimiento o la calidad del ADN sean bajos deben llevarse a cabo en una instalación de ADN antiguo , junto con protocolos establecidos para evitar la contaminación con ADN moderno. [39] [40] Los experimentos siempre deben realizarse por duplicado [41] y con controles positivos incluidos. [30]
En cuarto lugar, los amplicones deben generarse a partir del ADN extraído, ya sea de una sola muestra o de mezclas complejas con cebadores basados en códigos de barras de ADN seleccionados en el paso 1. Para realizar un seguimiento de su origen, es necesario agregar nucleótidos marcados (identificadores moleculares o etiquetas MID) en caso de metacodificación de barras. Estas etiquetas son necesarias más adelante en los análisis para rastrear las lecturas de un conjunto de datos masivos hasta su origen. [30]
En quinto lugar, se deben elegir las técnicas adecuadas para la secuenciación del ADN . El método clásico de terminación de cadena de Sanger se basa en la incorporación selectiva de inhibidores de elongación de cadena de la ADN polimerasa durante la replicación del ADN . Estas cuatro bases se separan por tamaño mediante electroforesis y luego se identifican mediante detección láser. El método de Sanger es limitado y puede producir una sola lectura al mismo tiempo y, por lo tanto, es adecuado para generar códigos de barras de ADN a partir de sustratos que contienen solo una única especie. [30] Las tecnologías emergentes, como la secuenciación por nanoporos, han reducido el costo de la secuenciación del ADN de aproximadamente USD 30 000 por megabyte en 2002 a aproximadamente USD 0,60 en 2016. [43] [44] Las tecnologías modernas de secuenciación de próxima generación (NGS) pueden manejar miles a millones de lecturas en paralelo y, por lo tanto, son adecuadas para la identificación masiva de una mezcla de diferentes especies presentes en un sustrato, resumidas como metabarcoding. [30]
Finalmente, se deben realizar análisis bioinformáticos para hacer coincidir los códigos de barras de ADN obtenidos con los números de índice de código de barras (BIN) en bibliotecas de referencia. [45] Cada BIN, o grupo de BIN, se puede identificar a nivel de especie cuando muestra una alta concordancia (>97%) con los códigos de barras de ADN vinculados a una especie presente en una biblioteca de referencia, o cuando aún falta la identificación taxonómica a nivel de especie, una unidad taxonómica operativa (OTU), que se refiere a un grupo de especies (es decir, género, familia o rango taxonómico superior). [30] (Ver binning (metagenómica) ). Los resultados de la cadena de montaje bioinformática se deben podar, por ejemplo, filtrando singletons no fiables, duplicados superfluos, lecturas de baja calidad y/o lecturas quiméricas . Esto se hace generalmente realizando búsquedas BLAST en serie en combinación con scripts automáticos de filtrado y recorte. [46] Se necesitan umbrales estandarizados para discriminar entre diferentes especies o una identificación correcta y una incorrecta. [30]
Flujo de trabajo de codificación de barras meta
A pesar del poder obvio del enfoque, la metacodificación de barras de eDNA se ve afectada por desafíos de precisión y exactitud distribuidos en todo el flujo de trabajo en el campo, en el laboratorio y en el teclado. [47] Como se establece en el diagrama de la derecha, siguiendo el diseño del estudio inicial (hipótesis/pregunta, grupo taxonómico objetivo, etc.) el flujo de trabajo actual de eDNA consta de tres componentes: campo, laboratorio y bioinformática. [13] El componente de campo consiste en la recolección de muestras (por ejemplo, agua, sedimento, aire) que se conservan o congelan antes de la extracción de ADN. El componente de laboratorio tiene cuatro pasos básicos: (i) el ADN se concentra (si no se realiza en el campo) y se purifica, (ii) se utiliza PCR para amplificar un gen o región objetivo, (iii) se incorporan secuencias de nucleótidos únicas llamadas "índices" (también denominados "códigos de barras") utilizando PCR o se ligan (unen) a diferentes productos de PCR, creando una "biblioteca" mediante la cual se pueden agrupar múltiples muestras, y (iv) las bibliotecas agrupadas luego se secuencian en una máquina de alto rendimiento . El paso final después del procesamiento de las muestras en el laboratorio es procesar computacionalmente los archivos de salida del secuenciador utilizando un sólido proceso bioinformático. [13]
Las OTU y el concepto de especie
Metodología y visualización
El método requiere que cada ADN recolectado se archive con su correspondiente "espécimen tipo" (uno por cada taxón), además de los datos habituales de la colección. Estos tipos se almacenan en instituciones específicas (museos, laboratorios moleculares, universidades, jardines zoológicos, jardines botánicos, herbarios, etc.) una por cada país, y en algunos casos, se asigna a una misma institución la tarea de contener los tipos de más de un país, en los casos en que algunas naciones no cuentan con la tecnología o los recursos financieros para hacerlo.
De este modo, la creación de ejemplares tipo de códigos genéticos representa una metodología paralela a la llevada a cabo por la taxonomía tradicional.
En una primera etapa se definió la región del ADN que se utilizaría para realizar el código de barras, que debía ser corta y conseguir un alto porcentaje de secuencias únicas. En el caso de animales, algas y hongos, una porción de un gen mitocondrial que codifica para la subunidad 1 de la enzima citocromo oxidasa, CO1, ha aportado altos porcentajes (95%), una región de alrededor de 648 pares de bases. [52]
En el caso de las plantas, el uso de CO1 no ha sido efectivo ya que presentan bajos niveles de variabilidad en esa región, además de las dificultades que se producen por los frecuentes efectos de poliploidía , introgresión e hibridación, por lo que el genoma del cloroplasto parece más adecuado. [53] [54]
El diagrama de la derecha muestra una comparación de las redes de polinización basadas en la codificación de barras de ADN con redes más tradicionales basadas en observaciones directas de las visitas de insectos a las plantas. Al detectar numerosas interacciones ocultas adicionales, los datos de la codificación de barras de ADN alteran en gran medida las propiedades de las redes de polinización en comparación con los estudios de visitas. Los datos moleculares muestran que los polinizadores son mucho más generalistas de lo esperado a partir de los estudios de visitas. Sin embargo, las especies de polinizadores estaban compuestas por individuos relativamente especializados y formaban grupos funcionales altamente especializados en morfos florales . [55]
Como consecuencia de los cambios globales en curso, se ha observado una disminución dramática y paralela a nivel mundial de polinizadores y especies vegetales polinizadas por animales. [56] Es urgente comprender las respuestas de las redes de polinización a estas disminuciones para diagnosticar los riesgos que pueden correr los ecosistemas, así como para diseñar y evaluar la eficacia de las acciones de conservación. [57] Los primeros estudios sobre la polinización animal se ocuparon de sistemas simplificados, es decir, interacciones específicas por pares o involucraron pequeños subconjuntos de comunidades de plantas y animales. Sin embargo, los impactos de las perturbaciones ocurren a través de redes de interacción altamente complejas [58] y, hoy en día, estos sistemas complejos son actualmente un foco principal de investigación. La evaluación de las redes reales (determinadas por el proceso ecológico) a partir de estudios de campo que están sujetos a efectos de muestreo aún presenta desafíos. [59] [55]
Estudios de investigación recientes se han beneficiado claramente de los conceptos y herramientas de red para estudiar los patrones de interacción en grandes conjuntos de especies. [60] Demostraron que las redes planta-polinizador estaban altamente estructuradas, desviándose significativamente de las asociaciones aleatorias. [61] Comúnmente, las redes tienen (1) una baja conectancia (la fracción realizada de todos los enlaces potenciales en la comunidad) lo que sugiere un bajo grado de generalización; (2) una alta anidación (los organismos más especializados tienen más probabilidades de interactuar con subconjuntos de las especies con las que interactúan los organismos más generalistas) las especies más especializadas interactúan solo con subconjuntos adecuados de esas especies que interactúan con las más generalistas; [62] (3) una distribución acumulativa de conectividad (número de enlaces por especie, s) que sigue una función de ley de potencia o de potencia truncada [63] caracterizada por pocos supergeneralistas con más enlaces de los esperados por casualidad y muchos especialistas; (4) una organización modular. Un módulo es un grupo de especies de plantas y polinizadores que exhibe altos niveles de conectividad dentro del módulo y que está pobremente conectado con especies de otros grupos. [64] [55]
El bajo nivel de conectividad y la alta proporción de especialistas en redes de polinización contrastan con la visión de que la generalización en lugar de la especialización es la norma en las redes. [65] [66] De hecho, la mayoría de las especies de plantas son visitadas por una amplia gama de polinizadores que explotan los recursos florales de una amplia gama de especies de plantas. [67] [68] Una causa principal evocada para explicar esta aparente contradicción es el muestreo incompleto de interacciones. [69] De hecho, la mayoría de las propiedades de la red son altamente sensibles a la intensidad del muestreo y al tamaño de la red. [61] Los estudios de redes son básicamente fitocéntricos, es decir, se basan en las observaciones de las visitas de los polinizadores a las flores. Este enfoque centrado en las plantas sufre, sin embargo, limitaciones inherentes que pueden obstaculizar la comprensión de los mecanismos que contribuyen al ensamblaje de la comunidad y los patrones de biodiversidad. En primer lugar, las observaciones directas de las visitas de los polinizadores a ciertos taxones como las orquídeas suelen ser escasas [70] y las interacciones raras son muy difíciles de detectar en el campo en general. [57] [58] [59] [60] Las comunidades de polinizadores y plantas suelen estar compuestas por pocas especies abundantes y muchas especies raras que se registran deficientemente en los estudios de visitas. [71] [72] Estas especies raras aparecen como especialistas, mientras que, de hecho, podrían ser generalistas típicas. Debido a la relación positiva entre la frecuencia de interacción (f) y la conectividad (s), las interacciones submuestreadas pueden llevar a sobreestimar el grado de especialización en las redes. [73] En segundo lugar, los análisis de redes han operado principalmente a niveles de especies. Las redes rara vez se han ampliado a los grupos funcionales o se han reducido a las redes basadas en individuos, [74] y la mayoría de ellos se han centrado en una o dos especies solamente. El comportamiento de los individuos o las colonias se ignora comúnmente, aunque puede influir en la estructura de las redes de especies. [74] Las especies contabilizadas como generalistas en las redes de especies podrían, por lo tanto, implicar individuos o colonias especializados crípticos. En tercer lugar, los visitantes de flores no son de ninguna manera siempre polinizadores efectivos, ya que pueden no depositar polen conespecífico y/o una gran cantidad de polen heteroespecífico. [75] [76] Los enfoques centrados en los animales basados en la investigación de las cargas de polen de los visitantes y los estigmas de las plantas pueden ser más eficientes para revelar las interacciones entre plantas y polinizadores. [75] [76] [55]
Desenredando las redes alimentarias
La metacodificación de barras ofrece nuevas oportunidades para descifrar los vínculos tróficos entre los depredadores y sus presas dentro de las redes alimentarias. [78] [79] En comparación con los métodos tradicionales que consumen mucho tiempo, como los análisis microscópicos o serológicos , el desarrollo de la metacodificación de barras de ADN permite la identificación de especies presa sin conocimiento previo del rango de presa del depredador. [80] Además, la metacodificación de barras también se puede utilizar para caracterizar una gran cantidad de especies en una sola reacción de PCR y para analizar varios cientos de muestras simultáneamente. [6] Este enfoque se utiliza cada vez más para explorar la diversidad funcional y la estructura de las redes alimentarias en los agroecosistemas. [79] [81] [82] [83] [84] Al igual que otros enfoques basados en moléculas, la metacodificación de barras solo brinda resultados cualitativos sobre la presencia/ausencia de especies presa en el intestino o en muestras fecales. [85] Sin embargo, este conocimiento de la identidad de las presas consumidas por depredadores de la misma especie en un entorno determinado permite un "sustituto pragmático y útil de información verdaderamente cuantitativa". [86] [77]
En la ecología de la red alimentaria , "quién se come a quién" es una cuestión fundamental para obtener una mejor comprensión de las complejas interacciones tróficas existentes entre las plagas y sus enemigos naturales dentro de un ecosistema determinado. [36] [87] El análisis dietético de los depredadores artrópodos y vertebrados permite la identificación de depredadores clave involucrados en el control natural de las plagas de artrópodos y brinda información sobre la amplitud de su dieta ( generalista vs. especialista ) y la depredación intragremio . [77]
El diagrama de la derecha resume los resultados de un estudio de 2020 que utilizó metabarcoding para desentrañar la diversidad funcional y la estructura de la red alimentaria asociada con un par de campos de mijo en Senegal. Después de asignar las OTU identificadas como especies, se identificaron 27 taxones de presas de artrópodos de nueve depredadores de artrópodos. El número medio de taxones de presas detectados por muestra fue el más alto en escarabajos carábidos , hormigas y arañas, y el más bajo en los depredadores restantes, incluidos los insectos antocóridos , los insectos pentatómidos y las tijeretas. Entre los artrópodos depredadores, se observó una alta diversidad de presas de artrópodos en arañas, escarabajos carábidos, hormigas e chinches antocóridas. Por el contrario, la diversidad de especies de presas identificadas en tijeretas e chinches pentatómidas fue relativamente baja. Lepidoptera , Hemiptera , Diptera y Coleoptera fueron los taxones de presas de insectos más comunes detectados de artrópodos depredadores. [77]
La conservación de la biodiversidad funcional y los servicios ecosistémicos relacionados , especialmente mediante el control de plagas utilizando sus enemigos naturales, ofrece nuevas vías para abordar los desafíos de la intensificación sostenible de los sistemas de producción de alimentos. [88] [89] [90] La depredación de plagas de cultivos por depredadores generalistas, incluidos los artrópodos y los vertebrados, es un componente importante del control natural de plagas . [91] Un rasgo particularmente importante de la mayoría de los depredadores generalistas es que pueden colonizar cultivos a principios de la temporada alimentándose primero de presas alternativas. [92] [93] Sin embargo, la amplitud de la dieta "generalista" conlleva algunos inconvenientes para el control de plagas, como la depredación dentro del gremio. [91] [94] [95] Por lo tanto, se necesita un diagnóstico ajustado de la amplitud de la dieta en depredadores generalistas, incluida la depredación de presas que no son plagas, para desenredar mejor las redes alimentarias (por ejemplo, la competencia por explotación y la competencia aparente) y, en última instancia, para identificar los impulsores clave del control natural de plagas en los agroecosistemas. Sin embargo, la importancia de los depredadores generalistas en la red alimentaria es generalmente difícil de evaluar, debido a la naturaleza efímera de las interacciones individuales depredador-presa. [94] [96] La única evidencia concluyente de depredación resulta de la observación directa del consumo de presas, la identificación de residuos de presas dentro de los intestinos de los depredadores, [94] y análisis de regurgitados [97] o heces. [98] [77]
Bioseguridad marina
Especies como estas sobreviven al paso por sistemas de bombeo sin filtrar.
La propagación de especies no autóctonas (EIN) representa riesgos significativos y crecientes para los ecosistemas. [100] En los sistemas marinos, las EIN que sobreviven al transporte y se adaptan a nuevas ubicaciones pueden tener efectos adversos significativos en la biodiversidad local, incluido el desplazamiento de especies nativas y cambios en las comunidades biológicas y las redes alimentarias asociadas. [101] [102] Una vez que se establecen las EIN, son extremadamente difíciles y costosas de erradicar, [103] [104] y puede ocurrir una mayor propagación regional a través de la dispersión natural o por vías de transporte antropogénico. [104] [105] [106] Si bien las incrustaciones en los cascos de los buques y las aguas de lastre de los barcos son bien conocidas como vías antropogénicas importantes para la propagación internacional de las EIN, [100] [107] [108] [109] se sabe comparativamente poco sobre el potencial de los buques que transitan regionalmente para contribuir a la propagación secundaria de plagas marinas a través de la translocación de agua de sentina. [99]
Estudios recientes han revelado que el agua y los desechos asociados arrastrados en los espacios de sentina de embarcaciones pequeñas (<20 m) pueden actuar como un vector para la propagación de NIS a escalas regionales. [110] [111] [112] [113] [114] [115] El agua de sentina se define como cualquier agua que se retiene en un buque (que no sea lastre), y que no se bombea deliberadamente a bordo. Puede acumularse en o debajo de la cubierta del buque (por ejemplo, debajo de los paneles del piso) a través de una variedad de mecanismos, incluidas las acciones de las olas, las fugas, a través de los casquillos de popa de la hélice y mediante la carga de elementos como equipos de buceo, pesca, acuicultura o científicos. [116] Por lo tanto, el agua de sentina puede contener agua de mar, así como organismos vivos en varias etapas de vida, restos celulares y contaminantes (por ejemplo, aceite, suciedad, detergente, etc.), todos los cuales generalmente se descargan utilizando bombas de achique automáticas o se autodrena utilizando válvulas de pico de pato. El agua de sentina bombeada desde embarcaciones pequeñas (manual o automáticamente) generalmente no se trata antes de su descarga al mar, a diferencia de las embarcaciones más grandes que deben separar el aceite y el agua mediante sistemas de filtración, centrifugación o absorción de carbono. [116] [117] Si los propágulos son viables a través de este proceso, la descarga de agua de sentina puede provocar la propagación de NIS. [99]
En 2017, Fletcher et al. utilizaron una combinación de experimentos de laboratorio y de campo para investigar la diversidad, abundancia y supervivencia del material biológico contenido en muestras de agua de sentina tomadas de pequeñas embarcaciones costeras. [115] Su experimento de laboratorio mostró que las colonias o fragmentos de ascidias y las larvas de briozoos pueden sobrevivir al paso por un sistema de bombeo sin filtrar prácticamente sin sufrir daños. También llevaron a cabo la primera evaluación morfomolecular (utilizando la codificación de barras de eDNA) sobre el riesgo de bioseguridad que plantean las descargas de agua de sentina de 30 pequeñas embarcaciones (veleros y lanchas motoras) de diversos orígenes y tiempos de navegación. Utilizando la codificación de barras de eDNA caracterizaron aproximadamente tres veces más taxones que mediante los métodos microscópicos tradicionales, incluida la detección de cinco especies reconocidas como no autóctonas en la región de estudio. [99]
Para ayudar a comprender los riesgos asociados con los diferentes vectores de introducción de NIS, las evaluaciones tradicionales de la biodiversidad mediante microscopio se complementan cada vez más con la codificación metabólica de eDNA. [118] [119] [120] [121] Esto permite identificar una amplia gama de conjuntos taxonómicos diversos, en muchas etapas de la vida. También puede permitir la detección de NIS que pueden haberse pasado por alto utilizando métodos tradicionales. A pesar del gran potencial de las herramientas de codificación metabólica de eDNA para la detección taxonómica a gran escala, [122] [123] un desafío clave para el eDNA en el contexto del monitoreo ambiental de plagas marinas, y particularmente cuando se monitorean entornos cerrados como algunos espacios de sentina o tanques de lastre, es diferenciar organismos muertos y viables. [124] El ADN extracelular puede persistir en ambientes oscuros/fríos por largos períodos de tiempo (meses a años, [125] [126] por lo tanto muchos de los organismos detectados usando metabarcoding de eADN pueden no haber sido viables en el lugar de recolección de la muestra durante días o semanas. Por el contrario, el ácido ribonucleico (ARN) se deteriora rápidamente después de la muerte celular, probablemente proporcionando una representación más precisa de comunidades viables. [127] Estudios recientes de metabarcoding han explorado el uso de moléculas de eADN y eARN coextraídas para monitorear muestras de sedimentos bentónicos alrededor de granjas de peces marinos y sitios de perforación de petróleo, [128] [129] [130] [131] [132] y colectivamente han encontrado correlaciones ligeramente más fuertes entre las variables biológicas y fisicoquímicas a lo largo de los gradientes de impacto cuando se usa eARN. Desde una perspectiva de bioseguridad marina, la detección de NIS vivo puede representar una amenaza más grave e inmediata que la detección de NIS basada puramente en una señal de ADN. Por lo tanto, el ARN ambiental puede ofrecer un método útil para identificar organismos vivos en muestras. [99]
Misceláneas
La construcción de la biblioteca de códigos de barras genéticos se centró inicialmente en peces [133] y aves, [134] [135] [136] seguido de mariposas y otros invertebrados. [137] En el caso de las aves, la muestra de ADN generalmente se obtiene del pecho.
Los investigadores ya han desarrollado catálogos específicos para grandes grupos animales, como abejas, aves, mamíferos o peces. Otro uso es analizar la zoocenosis completa de un área geográfica determinada, como el proyecto "Polar Life Bar Code" que pretende recopilar los rasgos genéticos de todos los organismos que viven en las regiones polares; ambos polos de la Tierra. Relacionada con esta forma está la codificación de toda la ictiofauna de una cuenca hidrográfica, por ejemplo la que comenzó a desarrollarse en el río São Francisco, en el nordeste de Brasil . [138] [139]
El potencial del uso de los Códigos de Barras es muy amplio, desde el descubrimiento de numerosas especies crípticas (ya ha dado numerosos resultados positivos), [140] el uso en la identificación de especies en cualquier etapa de su vida, la identificación segura en casos de especies protegidas que son objeto de tráfico ilegal, etc. [141] [142]
También se ha utilizado como una herramienta no invasiva para determinar la dieta de especies silvestres, como los wombats [143] y, en particular, especies en peligro crítico de extinción, como el wombat de nariz peluda del norte ( Lasiorhinus krefftii ). [144]
En general, las deficiencias de la codificación de barras de ADN son válidas también para la codificación de barras metabólica. Un inconveniente particular de los estudios de codificación de barras metabólica es que aún no hay consenso sobre el diseño experimental óptimo y los criterios bioinformáticos que se deben aplicar en la codificación de barras metabólica de ADN ambiental. [146] Sin embargo, existen intentos actuales conjuntos, como la red COST DNAqua-Net de la Cooperación Europea en Ciencia y Tecnología , [147] para avanzar mediante el intercambio de experiencias y conocimientos para establecer estándares de mejores prácticas para la biomonitorización. [148]
El llamado código de barras es una región del ADN mitocondrial dentro del gen de la citocromo c oxidasa . Una base de datos, Barcode of Life Data Systems (BOLD), contiene secuencias de códigos de barras de ADN de más de 190.000 especies. [149] [150] Sin embargo, científicos como Rob DeSalle han expresado su preocupación por la necesidad de conciliar la taxonomía clásica y el código de barras de ADN, que consideran un nombre inapropiado, ya que delimitan las especies de manera diferente. [151] La introgresión genética mediada por endosimbiontes y otros vectores puede hacer que los códigos de barras sean ineficaces para la identificación de especies. [152]
Estado de las especies de código de barras
En microbiología , los genes pueden moverse libremente incluso entre bacterias distantes relacionadas, posiblemente extendiéndose a todo el dominio bacteriano. Como regla general, los microbiólogos han asumido que los tipos de bacterias o arqueas con secuencias de genes de ARN ribosómico 16S más similares entre sí en un 97% necesitan ser examinados mediante hibridación ADN-ADN para decidir si pertenecen a la misma especie o no. [153] Este concepto se redujo en 2006 a una similitud del 98,7%. [154]
La hibridación ADN-ADN está obsoleta y los resultados a veces han llevado a conclusiones erróneas sobre las especies, como en el caso del pomarino y el págalo grande . [155] [156] Los enfoques modernos comparan la similitud de secuencias utilizando métodos computacionales. [157]
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