الترميز الجيني للحمض النووي لللافقاريات المائية الكبيرة

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

يُعدّ الترميز الجيني للحمض النووي طريقة بديلة للتصنيف المورفولوجي التقليدي ، وقد استُخدم بكثرة لتحديد أنواع اللافقاريات المائية الكبيرة (والتي تُعتبر عمومًا تلك الكبيرة بما يكفي لرؤيتها بالعين المجردة). ويُعتبر العديد منها كائنات مؤشرة بالغة الأهمية في التقييم البيولوجي للنظم البيئية للمياه العذبة (مثل: ذباب مايو ، وذباب الحجر ، وذباب القمص ) والنظم البيئية البحرية (مثل: الديدان الحلقية ، وشوكيات الجلد ، والرخويات ).

منذ ظهورها، تطورت تقنية الترميز الجيني للحمض النووي (DNA barcoding) لتسد الفجوة بين التصنيف التقليدي والتصنيف الجزيئي. تتميز هذه التقنية بقدرتها على توفير معلومات تصنيفية أكثر تفصيلًا، لا سيما للأنواع الخفية أو الصغيرة أو النادرة. تعتمد هذه التقنية على استهداف مناطق جينية محددة موجودة ومحفوظة في معظم أنواع الحيوانات، ولكنها تتسم بتنوع كبير بين أفراد الأنواع المختلفة. يعتمد التشخيص الدقيق على انخفاض التباين داخل النوع الواحد مقارنةً بالتباين بين الأنواع، حيث يسمح تسلسل قصير من الحمض النووي، مثل جين السيتوكروم الفرعي أوكسيداز 1 (COI)، بتحديد انتماء الفرد إلى نوع محدد بدقة .

المنهجية

على الرغم من أن مفهوم استخدام تباين تسلسل الحمض النووي للتمييز بين الأنواع قد تم الإبلاغ عنه سابقًا، إلا أن هيبرت وآخرون (2003) كانوا روادًا في اقتراح توحيد ترميز الحمض النووي كطريقة للتمييز الجزيئي بين الأنواع. [ 1 ]

لا يختلف جمع العينات لترميز الحمض النووي عن الطرق التقليدية، باستثناء ضرورة حفظ العينات في محلول إيثانول عالي التركيز (>70%). [ 2 ] وقد أشير إلى أن البروتوكول المعتاد لحفظ عينات القاع في الفورمالين له تأثير سلبي على سلامة الحمض النووي. [ 3 ]

يكمن المفهوم الأساسي لترميز اللافقاريات الكبيرة في الاختيار الأمثل لعلامات الحمض النووي (منطقة الترميز الجيني) لتضخيم مناطق الجينات المناسبة باستخدام تقنيات تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR ). من الأفضل أن تكون منطقة الترميز الجيني محفوظة داخل النوع الواحد، ولكنها متغيرة بين الأنواع المختلفة (حتى الأنواع وثيقة الصلة)، وبالتالي، يجب أن يكون تسلسلها بمثابة علامة جينية خاصة بالنوع. لذلك، يلعب اختيار العلامة دورًا هامًا. [ 4 ] يُعد جين السيتوكروم الفرعي أوكسيداز 1 (COI) أحد أكثر العلامات استخدامًا في ترميز اللافقاريات الكبيرة. ومن العلامات الأخرى التي يمكن استخدامها جينات الحمض النووي الريبوزي 16S و 18 S.

علاوة على ذلك، يُعد تصنيف اللافقاريات إلى فئات أحجام مختلفة أمرًا مفيدًا، حيث يمكن أن تختلف العينات في العينة الواحدة اختلافًا كبيرًا في الكتلة الحيوية، اعتمادًا على النوع ومرحلة الحياة. [ 5 ]

لمزيد من التفاصيل حول الطرق، انظر إلى ترميز الحمض النووي .

الترميز الفائق للحمض النووي

نظراً للعدد الكبير من التصنيفات التي تُشكّل مجتمعات اللافقاريات الكبيرة المائية، تُستخدم طريقة الترميز الجيني الفائق (Metabarcoding ) بشكل عام لتقييم التصنيفات المتميزة ضمن العينات المجمعة أو عينات المياه. تعتمد طريقة الترميز الجيني الفائق على نفس آلية عمل الترميز الجيني التقليدي ، مع اختلاف استخدام تقنيات التسلسل عالي الإنتاجية (HTS) . وقد أثبتت العديد من الدراسات نجاح هذه الطريقة في تقييم ومراقبة مختلف المجموعات التصنيفية. [ 6 ] [ 7 ] استخدم باحثون عديدون طرق الترميز الجيني الفائق لتصنيف اللافقاريات الكبيرة القاعية من عينات الأنسجة، [ 8 ] مما يدل على جدواها وحساسيتها العالية مقارنةً بطرق التصنيف التقليدية. كما قام باحثون آخرون بالتحقق من صحة استخدام تقنيات التسلسل من الجيل التالي (NGS) في العينات البيئية لتقييم جودة المياه في النظم البيئية البحرية [ 9 ] وفي دراسات التنوع البيولوجي للمياه العذبة، [ 10 ] بما في ذلك تقييم أنواع اللافقاريات الكبيرة. وتتزايد تطبيقات هذه التقنيات في العينات البيئية باستمرار. [ 11 ] تستند معظم الدراسات الحديثة إلى تطوير أساليب الحمض النووي البيئي ، والتحقق الميداني منها، واختيار المنصة والرمز الشريطي، أو قيود قواعد البيانات. [ 12 ]

التطبيقات والتحديات

تُستخدم طرق الترميز الشريطي (الميتاوي) لللافقاريات الكبيرة بشكل متكرر في:

  • تقييم التنوع البيولوجي. نظراً للعدد الكبير من أنواع اللافقاريات الكبيرة، فإن معالجة العينات (الفرز والتعرف) مهمة شاقة وغالباً ما تكون صعبة، مما قد يؤدي إلى أخطاء أثناء التقييم. [ 13 ]
  • برامج الرصد البيئي . قد تستوطن اللافقاريات الكبيرة النظام البيئي نفسه من عدة أشهر إلى سنوات عديدة، وذلك تبعًا لدورة حياة كل كائن حي. ونتيجةً لذلك، تسكن مجتمعات اللافقاريات الكبيرة النظم البيئية المائية لفترة كافية لرصد الآثار المزمنة للملوثات، وفي الوقت نفسه لفترة قصيرة بما يكفي للاستجابة للتغيرات الحادة نسبيًا في جودة المياه. ونظرًا لمحدودية حركة اللافقاريات الكبيرة وعدم قدرتها النسبية على الابتعاد عن الظروف الضارة، غالبًا ما يمكن تحديد مواقع مصادر التلوث المزمنة من خلال مقارنة مجتمعات هذه الكائنات.
  • الكشف عن الأنواع الغريبة . يتزايد استخدام تقنيات الحمض النووي البيئي (eDNA) وتقنيات الترميز الشريطي (الميتاوي) باستمرار في دراسات عمليات الغزو. [ 14 ]
  • تحديد الأنواع. يتطلب تحديد الأنواع مستوى عالٍ من الخبرة التصنيفية. غالبًا ما يصعب تحديد المراحل التطورية المختلفة لللافقاريات الكبيرة شكليًا، حتى بالنسبة للخبراء ، لا سيما بسبب نقص مفاتيح التصنيف المناسبة لللافقاريات المائية الكبيرة [ 15 ] . على سبيل المثال، بالنسبة لبعض أصناف اللافقاريات المائية، لا يمكن تحديدها تصنيفيًا إلا للذكور وبعض الأطوار المتأخرة، ولكن دمج الترميز الشريطي مع التصنيف التقليدي يوفر إطارًا قويًا للتحديد البيولوجي [ 16 ] . في كثير من الأحيان، لا يمكن تحديد الأنواع لأنها غامضة شكليًا، أو متشابهة، أو تمثل مجموعات أقل شهرة [ 17 ] . وقد اقتُرح أن التحليل المشترك للبيانات الشكلية والجزيئية قد يوفر الحل الأمثل لما يُسمى "التصنيف التكاملي". [ 18 ] استخدمت العديد من الدراسات أساليب الترميز الشريطي أو الترميز الشريطي الفائق على مجموعات مختلفة، على سبيل المثال اليعاسيب، وتحديداً اليعاسيب (Anisoptera) واليعسوبيات (Zygoptera)، مع التوصية باستخدام مجموعة من المؤشرات. [ 19 ]
  • الاستجابة للإجهاد. قد تختلف أنواع اللافقاريات في المياه العذبة، والتي غالبًا ما تُدمج في مستوى تصنيفي أعلى لأغراض الرصد البيولوجي، اختلافًا كبيرًا في مدى تحملها للضغوط، وتستجيب بطرق أكثر تعقيدًا مما يُلاحظ على مستوى الجنس. [ 20 ] تتمتع عمليات التحديد القائمة على الترميز الجيني للحمض النووي بإمكانية تحسين رصد التغيرات الطفيفة في ظروف الجداول المائية. وقد أظهرت نتائج حديثة أن الترميز الجيني للحمض النووي يمكن أن يزيد من الدقة التصنيفية ، وبالتالي يزيد من حساسية مقاييس التقييم البيولوجي. [ 21 ]

كما توجد العديد من التحديات عندما يتعلق الأمر بالترميز الجيني لللافقاريات المائية الكبيرة:

  • المكتبات المرجعية . يُعد توفر المكتبات المرجعية للرموز الشريطية للحمض النووي أمرًا بالغ الأهمية في تحديد الأنواع. [ 22 ]
  • الأنواع المفقودة في قواعد البيانات. عادةً ما تكون المعلومات المتعلقة بالأنواع الموجودة غير كاملة أو غير مرتبطة بالمعايير البيئية مثل العمق، وتقنية أخذ العينات، والملوحة، وما إلى ذلك.
  • التحقق من جودة البيانات . غالبًا ما تكون سجلات قواعد البيانات غير منقحة.
  • التصنيف القديم . يمكن أحيانًا تسمية الأنواع في قواعد البيانات بتصنيف قديم (مثل المرادفات).
  • القياس الكمي لتنوع الأنواع (تقدير الكتلة الحيوية ووفرة الأنواع).
  • تفتقر إلى معلومات الحمض النووي . يتم تحديد الأنواع في الأدبيات السابقة فقط من خلال السمات التصنيفية التي لا توجد عينات من الحمض النووي لتأكيدها.
  • يجب أخذ التحديات التقنية في الاعتبار، مثل الحاجة إلى تطبيق بروتوكولات مختلفة عند العمل مع كائنات حية مختلفة، واختيار علامات ترميز الحمض النووي المناسبة، وتصميم البادئات (تحديد المناطق المحفوظة المناسبة كمواقع ربط البادئات، وتقييم التغطية التصنيفية وقدرة المناطق المضخمة على حل التصنيفات على مستوى العائلة، وما إلى ذلك).
  • التكاليف المتعلقة بالتسلسل.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هيبرت، بول دي إن؛ سيوينسكا، ألينا؛ بول، شيلي إل؛ دي وارد، جيريمي آر. (2003-02-07). "التعرف على الكائنات الحية من خلال الباركود الجيني" . وقائع الجمعية الملكية في لندن. السلسلة ب: العلوم البيولوجية . 270 (1512): 313-321 . doi : 10.1098/rspb.2002.2218 . ISSN 1471-2954 . PMC 1691236. PMID 12614582 .   
  2. ↑ شتاين، إريك د.؛ وايت، برايان ب.؛ مازور، رافائيل د.؛ ميلر، بيتر إي.؛ بيلغريم، إريك م. (2013). "تقييم حفظ العينات باستخدام الإيثانول لتسهيل استخدام الترميز الجيني للحمض النووي في برامج الرصد البيولوجي الروتينية للمياه العذبة باستخدام اللافقاريات القاعية الكبيرة" . PLOS ONE . 8 (1) e51273. Bibcode : 2013PLoSO...851273S . doi : 10.1371/journal.pone.0051273 . PMC 3537618. PMID 23308097 .  
  3. ↑ بيرد، دونالد جيه؛ باسكو، تيموثي جيه؛ تشو، شين؛ حاجي بابائي، مهرداد (مارس 2011). "بناء مكتبات الباركود الجيني لللافقاريات الكبيرة في المياه العذبة من مواد المجموعة المرجعية: الحفظ بالفورمالين مقابل عمر العينة". مجلة جمعية علم الأحياء القاعية في أمريكا الشمالية . 30 (1): 125-130 . doi : 10.1899/10-013.1 . ISSN 0887-3593 . S2CID 3940136 .  
  4. ↑ أندوجار، كارميلو؛ أريباس، باولا؛ غراي، كلير؛ بروس، كاثرين؛ وودوارد، غاي؛ يو، دوغلاس دبليو؛ فوغلر، ألفريد بي. (يناير 2018). "الترميز الفائق لللافقاريات في المياه العذبة للكشف عن آثار انسكاب المبيدات". علم البيئة الجزيئية . 27 (1): 146-166 . Bibcode : 2018MolEc..27..146A . doi : 10.1111 / mec.14410 . hdl : 10044/1/58144 . PMID 29113023. S2CID 7697860 .  
  5. ↑ إلبريشت، فاسكو؛ بينرت، بيانكا؛ ليز، فلوريان (سبتمبر 2017). "ترتيب الأمور: تقييم آثار عدم تساوي الكتلة الحيوية للعينات على الترميز الجيني الفائق" . علم البيئة والتطور . 7 (17): 6918-6926 . Bibcode : 2017EcoEv...7.6918E . doi : 10.1002/ece3.3192 . PMC 5587478. PMID 28904771 .  
  6. ↑ ليزيروفيتش، فرانك؛ إسلينغ، فيليب؛ بيليه، لويك؛ وايلدينغ، توماس أ.؛ بلاك، كينيث د.؛ باولووسكي، يان (نوفمبر 2015). "يؤدي التسلسل عالي الإنتاجية وعلم التشكل أداءً متساوياً في رصد قاع النظم البيئية البحرية" . التقارير العلمية . 5 (1) 13932. Bibcode : 2015NatSR...513932L . doi : 10.1038 / srep13932 . ISSN 2045-2322 . PMC 4564730. PMID 26355099 .   
  7. ↑ إلبريشت، فاسكو؛ فاموس، إيكاترينا إديث؛ مايسنر، كريستيان؛ أروفيتا، يوكا؛ ليس، فلوريان (أكتوبر 2017). يو، دوغلاس (محرر). "تقييم نقاط القوة والضعف في تحديد اللافقاريات الكبيرة باستخدام الترميز الفائق للحمض النووي لرصد الجداول المائية الروتيني" . مناهج في علم البيئة والتطور . 8 (10): 1265-1275 . Bibcode : 2017MEcEv...8.1265E . doi : 10.1111/2041-210X.12789 .
  8. ↑ كارو، ميليسا إي؛ بيتيغروف، فينسنت جيه؛ ميتزلينغ، ليون؛ هوفمان، آري أ (2013). "الرصد البيئي باستخدام تقنية التسلسل الجيني من الجيل التالي: التحديد السريع لأنواع المؤشرات الحيوية من اللافقاريات الكبيرة" . مجلة فرونتيرز إن زولوجي . 10 (1): 45. doi : 10.1186/1742-9994-10-45 . ISSN 1742-9994 . PMC 3750358. PMID 23919569 .   
  9. ↑ ليزيروفيتش، فرانك؛ إسلينغ، فيليب؛ بيليه، لويك؛ وايلدينغ، توماس أ.؛ بلاك، كينيث د.؛ باولووسكي، يان (نوفمبر 2015). "يؤدي التسلسل عالي الإنتاجية وعلم التشكل أداءً متساوياً في رصد قاع النظم البيئية البحرية" . التقارير العلمية . 5 (1) 13932. Bibcode : 2015NatSR...513932L . doi : 10.1038 / srep13932 . ISSN 2045-2322 . PMC 4564730. PMID 26355099 .   
  10. ↑ دينر، كريستي؛ فرونهوفر، إيمانويل أ.؛ ماخلر، إلفيرا؛ والسر، جان كلود؛ ألترمان، فلوريان (ديسمبر 2016). "يكشف الحمض النووي البيئي أن الأنهار بمثابة أحزمة ناقلة لمعلومات التنوع البيولوجي" . مجلة نيتشر كوميونيكيشنز . 7 (1) 12544. رمز Bibcode : 2016NatCo...712544D . doi : 10.1038/ncomms12544 . ISSN 2041-1723 . PMC 5013555. PMID 27572523 .   
  11. ^ زايكو، أناستاسيا؛ مارتينيز، خوسيه L.؛ أردورا، ألبا؛ كلوسا، لورا؛ بوريل، يازل J .؛ سامويلوفيين، أوريليا؛ روكا، أوغستين؛ إيفا جارسيا فاسكيز (ديسمبر 2015). "اكتشاف الأنواع المزعجة باستخدام NGST: أوجه القصور في المنهجية والتطبيق المحتمل في مراقبة مياه الصابورة" (PDF) . بحوث البيئة البحرية . 112 (النقطة ب): 64-72 . بيب كود : 2015MarER.112...64Z . دوى : 10.1016/j.marenvres.2015.07.002 . اتش دي ال : 10651/36902 . بميد 26174116 . S2CID 9579967 .  
  12. ^ فرنانديز، سارة؛ رودريغيز، ساؤول؛ مارتينيز، خوسيه L.؛ بوريل، يازل J .؛ أردورا، ألبا؛ غارسيا فاسكيز ، إيفا (2018/08/08). ميلشر، أولريش (محرر). "تقييم اللافقاريات الكبيرة في المياه العذبة من ترميز eDNA: دراسة حالة لنهر نالون" . بلوس واحد . 13 (8)هـ0201741. بيب كود : 2018PLoSO..1301741F . دوى : 10.1371/journal.pone.0201741 . ردمك 1932-6203 . بمك 6082553 . بميد 30089147 .   
  13. ↑ هاس، بيتر؛ بولز، ستيفن يو؛ شيندهوت، كارين؛ سوندرمان، أندريا (ديسمبر 2010). "أول تدقيق لعينات اللافقاريات الكبيرة من برنامج رصد تابع لتوجيهات الاتحاد الأوروبي الإطارية للمياه: الخطأ البشري يقلل بشكل كبير من دقة نتائج التقييم". مجلة جمعية علم الأحياء القاعية في أمريكا الشمالية . 29 (4): 1279-1291 . doi : 10.1899/09-183.1 . ISSN 0887-3593 . S2CID 86777562 .  
  14. ↑ "REABIC - Journals - BioInvasions Records - Issue 1 (2018)" . www.reabic.net . doi : 10.3391/bir.2018.7.1.08 . تاريخ الاسترجاع: 19 أبريل 2019 .
  15. ↑ فينتر، هيرميون جيه؛ وحدة علوم وإدارة البيئة، جامعة نورث ويست، بوتشيفستروم، جنوب أفريقيا؛ بيزويدنهوت، كورنيليوس سي؛ وحدة علوم وإدارة البيئة، جامعة نورث ويست، بوتشيفستروم، جنوب أفريقيا (26-05-2016). "هل يُعدّ تحديد اللافقاريات المائية باستخدام الحمض النووي مفيدًا في سياق جنوب أفريقيا؟" . مجلة جنوب أفريقيا للعلوم . 112 (5/6): 4. doi : 10.17159/sajs.2016/20150444 . ISSN 0038-2353 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  16. ↑ ديوالت، ر. إدوارد (2011-03-01). "الترميز الشريطي للحمض النووي: وجهة نظر تصنيفية". مجلة جمعية علم الأحياء القاعية في أمريكا الشمالية . 30 (1): 174-181 . doi : 10.1899/10-021.1 . ISSN 0887-3593 . S2CID 84203382 .  
  17. ↑ كارو، ميليسا إي؛ بيتيغروف، فينسنت جيه؛ ميتزلينغ، ليون؛ هوفمان، آري أ (2013). "الرصد البيئي باستخدام تقنية التسلسل الجيني من الجيل التالي: التحديد السريع لأنواع المؤشرات الحيوية من اللافقاريات الكبيرة" . مجلة فرونتيرز إن زولوجي . 10 (1): 45. doi : 10.1186/1742-9994-10-45 . ISSN 1742-9994 . PMC 3750358. PMID 23919569 .   
  18. ↑ تيليتشيا، فابريس (1 ديسمبر 2010). "بعد 7 سنوات و1000 استشهاد: تقييم مقارن لترميز الحمض النووي ومقترحات تصنيف الحمض النووي لعلماء التصنيف وغير علماء التصنيف". الحمض النووي للميتوكوندريا . 21 (6): 206-226 . doi : 10.3109/19401736.2010.532212 . ISSN 1940-1736 . PMID 21171865. S2CID 10486130 .   
  19. ↑ راش، جيسيكا؛ بيرغمان، تجارد؛ باكنيا، أوميد؛ دي سال، روب؛ شيرواتر، بيرند؛ هادريس، هايكه (13 أبريل 2017). يو، بي-سونغ (محرر). "اختيار الواسم: قدرة تمييز غير متوقعة لمنطقة CO1 غير مستكشفة لأساليب الترميز الشريطي للحمض النووي متعدد الطبقات" . PLOS ONE . 12 (4) e0174842. Bibcode : 2017PLoSO..1274842R . doi : 10.1371/journal.pone.0174842 . ISSN 1932-6203 . PMC 5390999. PMID 28406914 .   
  20. ↑ ماشر، جان ن.؛ ساليس، رومانا ك.؛ بلاكيمور، كاتي س.؛ تولريان، رالف؛ ماثاي، كريستوف د.؛ ليز، فلوريان (فبراير 2016). "تأثيرات عوامل الإجهاد المتعددة على اللافقاريات في الجداول: يكشف الترميز الجيني عن استجابات متباينة لأنواع ذباب مايو الخفية". المؤشرات البيئية . 61 : 159-169 . Bibcode : 2016EcInd..61..159M . doi : 10.1016/j.ecolind.2015.08.024 .
  21. ↑ شتاين، إريك د.؛ وايت، برايان ب.؛ مازور، رافائيل د.؛ جاكسون، جون ك.؛ باتل، جوليان م.؛ ميلر، بيتر إي.؛ بيلغريم، إريك م.؛ سويني، برنارد و. (2014-03-01). "هل يُحسّن الترميز الجيني للحمض النووي أداء مقاييس التقييم البيولوجي التقليدية للجداول؟" . علوم المياه العذبة . 33 (1): 302-311 . Bibcode : 2014FWSci..33..302S . doi : 10.1086/674782 . ISSN 2161-9549 . S2CID 67753537 .  
  22. ↑ ويب، جيفري م.؛ جاكوبوس، لوك م.؛ فانك، ديفيد هـ.؛ تشو، شين؛ كوندراتيف، بوريس؛ جيراسي، كريستي ج.؛ ديوالت، ر. إدوارد؛ بيرد، دونالد ج.؛ ريتشارد، بارتون (30 مايو 2012). فينتون، بروك (محرر). "مكتبة باركود الحمض النووي لحشرات ذباب مايو في أمريكا الشمالية: التقدم والآفاق" . PLOS ONE . 7 (5) e38063. Bibcode : 2012PLoSO...738063W . doi : 10.1371/ journal.pone.0038063 . ISSN 1932-6203 . PMC 3364165. PMID 22666447 .