陸域の生物多様性調査を変える、空中eDNAの活用

陸域の生物多様性調査を変える、空中eDNAの活用
クリスティン・ボーマン
クリスティナ・リンガード
脚注を表示するオープンアクセス公開日:2022年12月10日DOI:https://doi.org/10.1016/j.tree.2022.11.006
PlumX メトリクス

要旨
陸上で生活する動物、植物、菌類、バクテリアは、空気中にDNAの痕跡を残すことが研究で示されている。これらの結果は、バイオエアロゾルのシークエンスが、陸上の生物多様性を生物種を超えて同時に調査するための強力なツールになる可能性を示唆しているが、それと同時に、汚染物質の可能性を慎重に管理する必要性を強調している。
キーワード
バイオエアロゾル
生物多様性
DNAメタバーコード
環境DNA
モニタリング
陸域生態系
バイオエアロゾルによる生物多様性評価
あなたは早朝の森にいる。足音と鳥の鳴き声が混ざり合い、風が頭上の木々を揺らします。見上げると、樹冠から差し込む太陽の光に、空気中の微粒子が照らされていることに気づきます。空気中の微粒子のDNA配列解析により、陸上で生活する脊椎動物や昆虫 [1., 2., 3., 4., 5.], 真菌やバクテリア [6., 7.], 植物 [6., 8.] を検出できることが分かっています。これらの研究は主に1つの分類群に焦点を当てていますが、これらの結果を合わせると、バイオエアロゾルという1つの基質を用いて、陸上の生物多様性を生物種を超えて同時に調査できる可能性があることを提案します（図1）。

図1
図1空中環境DNAによる分類群横断的な陸上生物多様性の特徴付け。
キャプションを表示
大きな画像を見るダウンロード 高解像度画像
DNAを用いた陸上生物多様性の特性評価
DNAベースの生物多様性研究では、DNAメタバーコードアプローチが間違いなく最も強力です[9.,10.]。これは、環境 DNA（eDNA、用語集参照）と全生物のバルクサンプルの分類学的内容を特徴付けるために使用されます[9.]。典型的なメタバーコードワークフローでは、抽出した DNA を、特定の生物グループの分類学的に有益なマーカーを増幅するように設計されたプライマーを使用して、PCR 増幅します。重要なのは、PCR産物をサンプルごとに標識することで、ハイスループットなシーケンシングを並行して行うことができる点である。このように、メタバーコードは、生物多様性の調査において効率的で費用対効果の高いアプローチを提供します[9.]。
水は水生生態系におけるeDNAの強力な供給源であり、バイオモニタリングのための一般的な方法となっている[9.,10.]。しかし、最近まで、陸上には生物多様性の一般的なスナップショットを効果的に捕捉するための同等の基質タイプが存在しなかった。例えば、血液や腐肉を食べる無脊椎動物の腸内容物のメタバーコード化により、森林内の脊椎動物の種のスナップショットを得ることは可能ですが、存在する植物、昆虫、菌類についての情報は得られません。メタバーコードワークフローの中で最もコストと手間がかかるのは、サンプルの収集とDNAの抽出であるため[10.]、陸上生態系の真の代表的インベントリを可能にする単一の基板があれば、非常に望ましいと考えられる。我々は、この解決策が目の前にあることを提案する。
DNAは空気中にある
海や湖、小川に含まれる水が、その中の生物のDNAを含んでいるのと同じように、空気もまた、陸上の生物を取り囲んでいる生物のDNAを含んでいるのです。実際、さまざまなサンプリング方法（ボックス1）を用いてバイオエアロゾルを回収し、地上の生物種を検出できることが研究により示されています。ウイルス [11]、植物花粉 [8]、細菌や菌類の胞子 [6]を大気中から採取し、DNA配列決定によってそれらの分類学的起源を特定できることが研究によって実証されており、それによって、形態的特徴を用いてこれらの存在を特定するという通常の方法に補足するツールが追加された。さらに、最近の研究により、空気中にはその周囲に存在する生物の痕跡が含まれており、空気中からeDNAを濾過して、陸上植物、脊椎動物、昆虫を検出できることが示されている[1., 2., 3., 4., 5.,8.].
ボックス1
これらの研究により、バイオエアロゾルのDNAベースの分析によって、一連の分類群を検出できることが明らかになりました。このように、バイオエアロゾルは、DNAベースの陸上生物多様性調査にとって「すべてを支配する基質タイプ」であり、陸上生物全体を非侵襲的に大規模モニタリングできる基質タイプである可能性があります（図1）。これにより、空気サンプリングは、水生環境のeDNAバイオモニタリングで行われた基質としての水のように、モニタリングに革命をもたらす可能性がある。
陸域の生物多様性調査を変える空気の力
しかし、DNAを用いた生物多様性調査の基質として空気中の粒子状物質の力を借りるには、その方法の開発が必要である。現段階では、空気中のeDNAの利用は、水生系におけるDNAベースの調査のための基質として水を用いた初期の実証実験に匹敵するものである。それ以来、何千もの研究が、世界中の研究や調査で水の eDNA を適用している。さらに、既存の調査方法との相補性が検討され、技術開発が行われてきた。空中 eDNA を用いた陸上調査の分野は、水中 eDNA やより広範な eDNA の分野の肩を持つことができますが、分類群全体にわたるバイオエアロゾルサンプリングと DNA 抽出を最適化し、DNA 信号の持続性と範囲など、生態系全体にわたる課題と限界を探る方法論研究が必要とされています。重要なことは、バイオエアロゾルが陸上生物のDNAを同時に収集できる基質であるかどうかを調べるために、分類群間および分類群内の検出の偏りを調べる必要があることである。さらに、他の調査方法による検出値と比較する必要がある。
汚染は空気中にある
生命体全体の DNA 源としての空気は、陸上生物多様性調査の能力を一変させるが、その使用には注意が必要であり、特に汚染に関して注意が必要である。まず、空気中のeDNAの空間的な移動と持続性はまだ調査されていませんが、研究者は、収集したバイオエアロゾルが空気中の長距離を移動した可能性や、人間の動きによって移動した可能性に注意しなければなりません [1.,4.]。この結果は、明らかに研究課題とどの程度局所的な信号が必要であるかによって異なる。それでも、結果を評価する際には考慮する必要があります。eDNAは一般的に量も質も低く、これは特に自然システムにおける空気中の動物eDNAに当てはまり、検出には大量の空気からのバイオエアロゾルのサンプリングと高いPCR増幅サイクル数が必要となります[1,5.]。このような微量のPCRは、実験室で汚染DNAを共増幅してしまうかなりのリスクを伴います[1.]。微量DNAの分析も頻繁に行われる古代DNAの分野では、初期の頃、確かにコンタミネーションを真の古代シグナルと勘違いし、真正な結果を得るために様々なガイドラインや技術開発が行われ評価された[12.]。汚染を本当の空気中のeDNAのシグナルと間違えないためには、清潔な実験室での作業とサンプル処理のための厳格なガイドラインに従って、汚染を避けるように注意する必要があります。例えば、外部ソースとサンプル間の交差汚染の両方からの汚染を検出・除去するために、PCR複製と陰性および陽性対照を組み込んで配列決定することができます。発生源が何であれ、実験室での汚染は、空気中のeDNAをバイオモニタリングに利用する際に有害となる可能性があります。そのため、汚染リスクを認識し、確実で信頼性の高いシグナルを得るためのメソッドの開発に重点を置く必要があります。
青い空
まとめると、バイオエアロゾルは、陸上生物の DNA ベース調査を同時に行うための基質となり得るということである。そうすることで、1つの基質から多くの分類群に渡るデータを生成できるため、メタバーコードの費用対効果や効率はより良くなる。DNAベースのバイオエアロゾル分析をバイオモニタリングのツールとして開発し、その可能性と限界を探るにはさらなる研究が必要ですが、私たちは今、陸上生態系の分子レベルでの研究・調査能力における革命となり得るスタート地点に立っていることに熱意を感じています。最終的には、空気中のeDNAは、自然生態系に対する環境および人為的影響を評価し、保全活動に役立てるための効果的なツールとなることが証明されるかもしれない。
謝辞
Tom Gilbertの建設的な意見に感謝する。K.B.はVILLUM FONDEN Experiment助成金（00028049）およびカールスバーグ財団若手研究者フェローシップ（CF21-0411）による資金援助を受けた。C.L.はVILLUM FONDENから研究助成金(41390)を受けた。
利害関係の宣言
著者らは、申告すべき利害関係を有していない。
参考文献
Lynggaard C．
他
空気中の環境DNAが自然界の陸生脊椎動物の多様性をとらえる。
bioRxiv. 2022; (2022年10月25日オンライン公開)
https://doi.org/10.1101/2022.10.24.512985
記事で見る
Google Scholar
クレア E.L.
ら。
空気中のDNAから生物多様性を測定する。
Curr. Biol. 2022; 32: 693-700.e5
記事で見る
スコープス (18)
PubMed
概要
全文
全文PDF
Google Scholar
プムカエオP.
他。
バイオエアロゾル中の昆虫の痕跡の検出とモニタリング。
PeerJ. 2021; 9e10862
記事で見る
スコープス(1)
クロスリファレンス
Google Scholar
リンガート C.
他
陸上脊椎動物の群集モニタリングのための空中環境DNA。
Curr. Biol. 2022; 32: 701-707.e5
記事で見る
スコープス (25)
PubMed
概要
全文
全文PDF
Google Scholar
ロジャー F.
et al.
陸生昆虫のモニタリングのための空中環境DNAメタバーコーディング - フィールドからのコンセプトの実証。
Environ. DNA. 2022; 4: 790-807
記事で見る
スコープス(8)
クロスリファレンス
Google Scholar
デ・グルートG.A.
他
The aerobiome uncovered: マルチマーカーメタバーコードにより、大気中の完全な微生物群集におけるターンオーバーの潜在的なドライバーが明らかになった。
Environ. Int. 2021; 154106551
記事で見る
スコープス (11)
クロスリファレンス
Google Scholar
グザレバ E.S.
他
熱帯大気生態系における微生物群集は正確な日周リズムに従っている。
Proc. Natl.Acad. Sci. U. S. A. 2019; 116: 23299-23308
記事で見る
スコープス (59)
PubMed
クロスリファレンス
グーグル奨学生
ジョンソンM.D.
他
空気中のeDNAを用いた非好気性植物種の検出。
PLoS One. 2019; 14e0225262
記事で見る
スコープス(16)
Crossref
グーグル・スカラー
タベレP．
他
環境DNA。生物多様性の研究とモニタリングのために.
オックスフォード大学出版局、2018年
記事で見る
スコープス(445)
クロスリファレンス
グーグルスカラー
コンプソン Z.G.
他
微生物から哺乳類までのメタバーコード化。地球規模での包括的なバイオアセスメント。
フロント。Ecol. Evol. 2020; 8581835
記事で見る
スコープス(18)
クロスリファレンス
Google Scholar
ウォン・T.W.
他
大気中のウイルス DNA の多様性をメタゲノムで解析した結果、大気圏表面付近のウイルス DNA の多様性が明らかになった。
J. Virol. 2012; 86: 8221-8231
記事で見る
スコープス (93)
PubMed
クロスリファレンス
グーグル奨学生
ギルバート・M.T.P.
他
古代 DNA 研究の評価。
Trends Ecol. Evol. 2005; 20: 541-544
記事で見る
スコープス (459)
パブコメ
要旨
全文
全文PDF
グーグルスクーラー
用語解説
エアボーンeDNA
生物から排出され、バイオエアロゾルとして空気中に存在するDNA。このDNAは、皮膚細胞、毛髪、組織、糞便、花粉、胞子などの脱落片に含まれている場合もあれば、浮遊（細胞外）DNAや他の空気中の粒子と結合している場合もあります。
環境DNA (eDNA)
土壌、糞便、水、空気などの環境試料中に排出された生物に由来するDNA。このような試料には、生物由来のDNA（例：微生物全体）と生物外由来のDNA（例：組織、毛髪、花粉、胞子、細胞、細胞外DNA）の両方が含まれることがあります。
論文情報
出版年
オンライン公開 2022年12月10日
出版段階
In Press, Corrected Proof
識別番号
DOI: https://doi.org/10.1016/j.tree.2022.11.006

著作権について
© 2022 The Authors. Elsevier Ltd.によって発行されました。
ユーザーライセンス
クリエイティブ・コモンズ 表示 - 非商用 - 改変禁止 (CC BY-NC-ND 4.0) ｜ 情報アイコンを再利用する方法
サイエンスディレクト
この記事をScienceDirectで閲覧する
図
図1
図1空中環境DNAにより、分類群にまたがる陸上生物多様性の特徴を明らかにすることができる。
関連記事
広告掲載