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一种新型液体活检

加拿大STREAM项目使用基因组学推进流域健康监测

一种新型液体活检
社区成员在不列颠哥伦比亚省史密瑟斯的斯基纳河分支流域采样。
2022年8月24日

河流和溪流对各地社区的饮用水、交通和休闲活动而言都至关重要。但是,污染、干旱和气候变化正不断造成影响,使流域监测变得越来越重要。这也迫切推动了因美纳近期的慈善资助项目“对河流样本测序,以进行环境评估和监测”(Sequencing the Rivers for Environmental Assessment and Monitoring,STREAM),该项目在加拿大各地的淡水河流进行采样。

圭尔夫大学生物科学学院整合生物学教授、STREAM科学负责人Mehrdad Hajibabaei表示:“我们所提供的检测可以看作是环境健康的临床诊断。人类活动可能会影响到我们的环境,我们正在使用基因组学来诊断这些问题,并为水道管理程序提供帮助,从而解决这些问题。”

STREAM正在使用类似于液体活检的基因组学方法,检测加拿大各地的河流和溪流样本:他们采集水样和沉积物样本,提取细胞群DNA,对基因组进行测序,并使用先进的生物信息学工具来识别并追踪大型无脊椎动物物种,这些动物没有脊柱结构,并且体型较大,无需使用显微镜即可观察到。

Hajibabaei说道:“假设有人建造了工厂、高尔夫球场或修建了公路,所有这些都可能影响下游的水质,通过从空间和时间上来检查物种的多样性,并将其与参考地点进行比较,我们可以确定受这些活动影响的样本。”

Dr. Mehrdad Hajibabaei works with the Illumina MiSeq System
Mehrdad Hajibabaei博士在圭尔夫大学生物多样性基因组学中心的实验室中使用Illumina MiSeq系统。| 图片由圭尔夫大学提供

关于STREAM
STREAM成立于2019年,由圭尔夫大学生物多样性基因组学中心Hajibabaei 实验室领导,并与加拿大环境与气候变化部、加拿大世界野生生物基金会、加拿大生命之湖组织(Living Lakes Canada)和其他合作伙伴合作。团队使用DNA宏条形码(来自特征基因组区域的短DNA序列)来跨流域追踪大型无脊椎动物。这些生物提供的信息对于调查气候、污染物和其他潜在危险如何影响水道至关重要。“这些底栖大型无脊椎动物幼虫属于生物标志物,”Hajibabaei说道,“随着水质的变化,它们的数量也会发生变化。”

传统上,研究人员会使用形态学鉴定,即在显微镜下观察样本以获得物种计数,但这种方法难以扩展。STREAM使用的宏条形码可以加快速度,并且可以为正在开展的分析提供丰富的数据。此外,更多的测序还有助于进一步扩展STREAM,使其不再局限于大型无脊椎动物,而是可以研究硅藻和其他微生物。

与形态学方法相比,宏条形码具有更高的灵活性。STREAM的现场、外联和沟通协调员Tammanna Kohi表示:“样本来自于全年各个时间。我们不仅限于在秋季或春季监测。”

虽然这些研究没有确定特定的污染物,但确实检测到了对环境应激源有不同敏感性或耐受性的生物体的存在。Hajibabaei说道:“一些蠓虫的出现表明温度升高。如果我们看到这些变化,就可以说明气候变化正在影响这条溪流。还有其他一些物种可以指示溶解氧水平。”

caddisfly larvae dwelling on the river bottom
在采样时发现的一只底栖的石蚕蛾幼虫。| 图片由加拿大生命之湖组织提供

基于社区的生物监测
Hajibabaei和团队需要寻找创造性的方法来采集数百个样本。答案是与当地团体合作,包括对保护其水道有浓厚兴趣的原住民社区。他表示:“我们没有派人去采样,而是与当地人合作并对他们进行了培训。这在各方面都有所帮助。例如,我们能够在COVID疫情期间继续运营,因为我们不必将人员派往加拿大各地。”

因美纳提供了33万美元的慈善资金和实物捐助,以支持STREAM完成使命。因美纳首席公共事务官John Frank表示:“我们很高兴能够帮助STREAM,支持他们在当地原住民社区的帮助下评估环境健康状况。公开可用的数据对于衡量气候影响以及帮助社区更好地了解和维护社区生态系统的生命力至关重要。”

到目前为止,STREAM已经选中了加拿大的15个大型流域,并在近100名社区志愿者的帮助下从600多个地点采集了样本。

充分利用数据
一旦完成数据分析,STREAM会将这些数据免费提供给世界各地的政府、研究人员和非政府组织,以及采集样本的当地社区和团体。在此之前,获取这些数据需要数年时间,而如今STREAM在短短两个月内就做到了这一点,为改善水道管理并满足社区需求提供了及时的信息。

数据大众化可为当地社区提供重要信息。社区中大多数人依靠捕鱼为生,而STREAM监测的生物实际上是鱼类的食物。了解大型无脊椎动物种群水平可以帮助人们更好地管理它们,并做出相应的规划。Hajibabaei说道:“我们的工具可以为他们解疑答惑。我们非常有兴趣了解他们在寻找什么,并支持当地社区的环境管理。”

STREAM数据也为学生的项目带来了启发——例如,圭尔夫大学生物信息学博士研究生Josip Rudar一直在开发一种机器学习方法,旨在为高通量测序数据提供更多有用的数据分析。研究人员希望他们的方法最终能够为其他地区的水道监测带来积极影响,而不仅限于北美地区。

Kohi说道:“想象一下,如果可以在全球范围内使用我们的方法。由于DNA宏条形码比传统的形态学分类鉴定更快、更准确、更经济,它可以为改善大规模流域管理提供重要工具。”

Hajibabaei和许多科学家们正在使用因美纳技术来解决全球一些极具挑战性和紧迫性的问题,包括应对气候变化、保护生物多样性和其他环境DNA(eDNA)解决方案。如需深入了解如何利用基因组学打造一个更健康的地球,以及探索因美纳如何将环境可持续性理念融入业务中,请点击此处

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