הפרוטוקול המוצג כאן נועד להדריך את המשתמשים בעיבוד מבוסס מחשב של רצפי גנים של תת-יחידה I (COI) של ציטוכרום c אוקסידאז שנוצרו מחיפושיות, כך שניתן ליצור את השערת אשכולות המינים הנקראת יחידות טקסונומיות תפעוליות מולקולריות (MOTUs) מ-DNA.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
הפרוטוקול המוצג כאן נועד להדריך את המשתמשים בעיבוד מבוסס מחשב של רצפי גנים של תת-יחידה I (COI) של ציטוכרום c אוקסידאז שנוצרו מחיפושיות, כך שניתן ליצור את השערת אשכולות המינים הנקראת יחידות טקסונומיות תפעוליות מולקולריות (MOTUs) מ-DNA.
הירידה במגוון הביולוגי מתרחשת בשיעורים בלתי נתפסים, אך ניטור המגוון הביולוגי נפגע על ידי שפע של גורמים, כולל מלאי חלקי של מגוון בסיסי והאוכלוסייה המתמעטת של טקסונומים מיומנים. גישור על מכשול זה במלאי מינים של "טקסונים כהים", או קבוצות מגוונות במיוחד שלעתים קרובות אינן נחקרות בטקסונומיה, הוא חיוני במיוחד באזורים הטרופיים המתמודדים עם לחצים סביבתיים בלתי עבירים. בעוד שטקסונומיה אלפא מבוססת מורפולוגיה נותרה תקן הזהב בזיהוי מינים, שיטות מבוססות DNA הראו פוטנציאל אדיר בהאצת תיחום וגילוי מינים. כאן, אנו מתארים צינור מרקחת ליצירת יחידות טקסונומיות תפעוליות מולקולריות (MOTUs) הכוללות שש גישות תיחום מינים מולקולריות המיושמות על שני סוגים מאוד לא בולטים של חיפושיות, כלומר Byrrhinus Motschulsky, 1858 ממשפחת Limnichidae ו-Anacaena Thomson, 1859 ממשפחת Hydrophilidae, מהפיליפינים. מכיוון שפרוטוקול זה מתמקד בעיבוד ברקודי DNA ובהתחשב בכך שניתן להשיג נתונים גנטיים אלה על ידי ריצוף או על ידי הורדה ממאגרי מידע מקוונים, נקודת ההתחלה של הפרוטוקול המתואר כאן היא רצפי ה-DNA. בהתחשב בברקודי COI, הצינור משתמש בשילוב של שלוש גישות תיחום מינים מולקולריות מבוססות סף, כלומר TaxonDNA, K2P ו-ASAP, המשתמשות ביישור רצף כנתוני קלט. בנוסף, הצינור ממשיך עם שלוש גישות מבוססות התלכדות, כלומר PTP-ML, PTP-BI ו-mPTP, הדורשות קובץ עץ כנתוני קלט. גישות מסוימות כרוכות בשימוש בשרתי אינטרנט, בעוד שאחרות משתמשות בתוכנה מקומית. עם בחירת השיטות האלגוריתמיות המוצגות, ניתן לזהות MOTUs, בין אם בקונצנזוס ובין אם על ידי רוב. למרבה הפלא, צינור זה תיאר מיני חיפושיות כמעט בולטים מהפיליפינים, אפילו כאלה שתועדו מאותם יישובים או סמוכים.
עם השיעורים חסרי התקדים של ירידה במינים בעולם על פני טקסונים מגוונים 1,2,3,4, הדחף ליצירת מלאי מגוון ביולוגי מקיף, הכולל מינים שלא התגלו בעבר ולא תוארו, הופך למירוץ נגד הזמן 2,5. ראשית, שימור המגוון הביולוגי הגיוני רק לאור ידע טקסונומי נכון 6,7. לפיכך, זיהוי המגוון הביולוגי ברמת המין הוא הכרחי, בהתחשב בכך שלמינים קרובים אך שונים עשויים להיות נישות בסיסיות ייחודיות8.
בסיסטמטיקה של חיפושיות, טקסונומיה אלפא או טקסונומיה מסורתית היא תקן הזהב בזיהוי מינים בדומה לרובקבוצות בעלי החיים, אם לא כולן. גישה זו מסתמכת על מאפיינים מורפולוגיים כדי לסווג אורגניזמים בטקסונומיה גבוהה יותר ולספק זיהוי ברמת המין10,11. במקרים רבים, זיהוי משפחה12 או אפילו זיהוי ברמת הסוג13 יכול להיעשות באמצעות מאפיינים מורפולוגיים חיצוניים בלבד, כגון צורת גוף והתאמות מיוחדות. בינתיים, זיהוי ברמת המין בחיפושיות נעשה בדרך כלל באמצעות השוואה של הפרטים המבניים של ה-aedeagus או איברי המין הזכריים 14,15,16.
למרות הקבלה הרחבה של טקסונומיה אלפא מבוססת מורפולוגיה זו, גישה זו לגילוי מינים נפגעת על ידי 'מכשולים טקסונומיים' רבים6,17,18, במיוחד בקרב חסרי חוליות19. בסיסטמטיקה של חיפושיות, זיהוי ו/או גילוי מינים באמצעות טקסונומיה אלפא מתמודד עם האתגרים של מספר מוגבל של טקסונומים מיומנים20,21, של תיאורים מוקדמים קצרים ובקושי אינפורמטיביים22, ושל בעיות לוגיסטיות הקשורות לגישה לספרות ולדגימות סוג23.
זה אפילו מחמיר כאשר הטקסון המדובר מסתורי או מאוד לא בולט. מינים קריפטיים מתייחסים לקבוצת מינים מאותו סוג, או אפילו לסוגים שונים, שלא ניתן לתחום בקלות על ידי מורפולוגיה השוואתית, בהתחשב בהבדלים פנטיים בין-ספציפיים עדינים24. כמה טקסונים קריפטיים, הנחשבים ל'טקסונים אפלים'25,26,27, סובלים בנוסף מהיותם מגוונים יתר על המידה אך אינם נחקרים בכבדות. למרבה הצער, זה לא נדיר בחיפושיות גדות ומימיות 8,28. כישלון לטפל בתיחום מינים בין טקסונים כהים קריפטיים מאיים על המגוון הביולוגי כאמצעי שימור אחד שמתאים לכולם ניתן לאורגניזמים בעלי נישות שונות ודרישות אקולוגיות שונות 8,29.
בהתחשב באתגרים אלה, 'טקסונומיה אינטגרטיבית'23, או הגישה של צימוד טקסונומיה אלפא עם קו ראיות אחר, צברה אחיזה כאמצעי להקמת מינים חדשים בשני העשורים האחרונים 30,31,32. קו ראיות אחד כזה המשמש במחקרים טקסונומיים אינטגרטיביים על חיפושיות 33,34,35,36,37,38,39 וסדר חרקים אחר 40,41,42,43,44,45 הוא רצף DNA. בפרט, הגן המיטוכונדריאלי ציטוכרום c אוקסידאז תת-יחידה I (COI) משמש לברקוד קבוצה מגוונת של בעלי חיים בשל אופיו השמרני למדי 46,47,48. בעוד ש-658bp-5′-end (COI-5′), הידוע גם בשם 'שבר ברקוד' או 'שבר פולמר', הוצע כרצף 'אבחון'49, נעשה שימוש גם ב-COI-3′ באורך 723 bp בשל סט חזק של פריימרים עבור 3′-end 50,51,52.
בעוד שברקוד DNA באמצעות COI תוכנן לזיהוי ברמת המינים, הוא מוגבל על ידי מאגר רצפים אפריורי 53, כגון GenBank54 ו-BOLD55, גישות תיחום מינים מולקולאריות קובעות מגבלות מינים באמצעות רצפי ה-DNA המסופקים בלבד ללא מאגר מוקדם56. ישנן שתי קבוצות של גישות תיחום מינים מולקולריות המבוססות על קובץ הקלט. ראשית, באמצעות יישור רצף כקלט, גישות מבוססות סף משתמשות בערכי חיתוך כדי לקבוע סטייה בין ובתוך מינים 48,57,58. כשיטות מבוססות מרחק, גישות אלה מסתמכות על מרחק תוך-ספציפי מקסימלי שנצפה של 3% עבור חרקים, המכונה 'פער הברקוד'51,59. חלק מהגישות מבוססות הסף הן SpeciesIdentifier המיושמת ב-TaxonDNA60, מרחק גנטי באמצעות Kimura 2-parameter (K2P)61, ו-Assemble Species by Automatic Partitioning (ASAP)62.
שנית, תוך שימוש בעץ כקובץ הקלט, גישות מבוססות התלכדות מזהות גבולות מינים וממיינים שושלות עצמאיות על ידי קביעת שינוי בקצב הסתעפות השושלת 63,64,66. לעתים קרובות מסתמכים על מושג מינים פילוגנטיים67, גישות מבוססות התלכדות כוללות תהליכי עץ פואסון (PTP)68 והווריאציה שלהם, PTP מרובה קצב69. בכל מקרה, האשכולות הנוצרים על ידי גישות תיחום המינים המולקולריים מכונים באופן קולקטיבי יחידות טקסונומיות תפעוליות מולקולריות (MOTUs).
כאן, אנו מציגים שיטות לצינור מרקחת ליצירת MOTUs הכוללים שלוש גישות מבוססות סף ושלוש גישות מבוססות התלכדות (איור 1). הצינור נבדק על שני מערכי נתונים, כלומר (1) רצפי COI-3′ של חיפושיות הגדה Byrrhinus Motschulsky, 1858, המורכב משני מינים שפורסמו35 שהוקמו בעבר באמצעות טקסונומיה אינטגרטיבית ורצפים נוספים ממינים לא מתוארים, ו-(2) רצפי COI-5′ של חיפושיות Anacaena Thomson, 1859, המורכב מרצפים משני מינים שפורסמו70 הוקם בעבר באמצעות טקסונומיה אלפא ורצפים נוספים ממינים לא מתוארים.

איור 1: תרשים זרימה של צינור המרקחת ליצירת MOTUs. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרי המוצא לצינור מרקחת זה הם רצפי DNA, אותם ניתן להוריד ממאגרים מקוונים (למשל, BOLD, GenBank) או להפיק מריצוף Sanger71. טבלה 1 וטבלה 2 מפרטות את מספרי ההצטרפות למערכי הנתונים שתוצאותיהם המייצגות מוצגות במאמר זה.
1. שלב הכנה לגישות מבוססות סף: יישור רצף

איור 2: יישור רצף ב- MEGA X. (A) יישור רצף ה-DNA הסופי שנוקה ידנית ו-(B) יישור רצף החלבון המתורגם של מערך הנתונים של Byrrhinus ללא הכנסות, מחיקות ופערים. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
2. תיחום לפי מודול DNA טקסון במזהה מינים 1.8
הערה: ניתן להוריד את מזהה המינים מ-https://taxondna.sourceforge.net/

איור 3: חלון TaxonDNA במזהה מינים 1.8 המציג את הסף המזוהה על ידי המשתמש של 3% לתיחום. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
3. תיחום על ידי Kimura 2 פרמטר (K2P) ב- MEGA X

איור 4: חלון המתקבל ב- MEGA X המציג את התוצאות של פרמטר Kimura-2. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
4. תיחום על ידי הרכבת מינים על ידי חלוקה אוטומטית (ASAP)

איור 5: חלון המתקבל בהקדם האפשרי המציג את התיחומים האפשריים. התוצאה הראשונה (תיבה כחולה) מתקבלת בגלל ניקוד ה-ASAP הנמוך ביותר (תיבה אדומה) ודירוג ה-P-val הגבוה ביותר (תיבה צהובה). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
5. שלב הכנה לגישות מבוססות התלכדות: הערכת עצים

איור 6: הערכת עצים ב- MEGA X כשלב הכנה לגישות מבוססות התלכדות. (A) הגדרה לקביעת מודל החלפת הנוקלאוטידים המתאים ביותר. (B) עבור מערך הנתונים של Byrrhinus , המודל המתאים ביותר הוא GTR + I בשל ערכי ה-BIC וה-AICc הנמוכים ביותר (תיבה אדומה). (C) בהרצת עץ הסבירות המקסימלית, GTR (תיבה צהובה) + I (תיבה כחולה) הוגדרו כפרמטרים. (ד) עץ ה-ML הגולמי שנוצר שישמש בניתוחים הבאים. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
6. תיחום על ידי תהליכי עץ פואסון (PTP)
הערה: השלבים שלהלן יניבו את התוצאות של PTP-ML ו-PTP-BI.

איור 7: תיחום מינים מולקולרי על ידי תהליכי עץ פואסון. (A) חלונות המציגים את פרמטרי הקלט. (B) חלון שנוצר בשרת האינטרנט PTP, עם קישור המכיל תוצאות תיחום (תיבה אדומה). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
7. תיחום על ידי תהליכי עץ פואסון מרובי קצב (mPTP)

איור 8: תיחום מינים מולקולרי על ידי תהליכי עץ פואסון מרובי קצבים. (A) חלונות שמציגים את המידע שנקרא ב-mPTP לגבי העץ שהועלה. (B) חלון שנוצר בשרת האינטרנט mPTP, עם קישור המכיל תוצאות תיחום (תיבה אדומה). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
8. דור מוטו
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מאמר זה יישם צינור תיחום מינים מולקולרי, הכולל את TaxonDNA, K2P, ASAP, שתי וריאציות של PTP ו-mPTP, לחיפושיות ימיות וגדות מים. התוצאה של כל אחת משש הגישות מכונה 'אשכולות מולקולריים', בעוד שהסיכום מכונה 'יחידות טקסונומיות תפעוליות מולקולריות' או MOTUs75.
צינור המרקחת נבדק על שני מערכי נתונים. מערך הנתונים הראשון (טבלה 1, איור 9) מורכב מ-24 רצפי COI-3' של חיפושיות הגדה Byrrhinus Motschulsky, 1858 שנאספו מהפיליפינים, ע...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בעוד שניתן להשוות רצפי DNA, במיוחד COI49, לרצפי ייחוס 22,53,78 במאגרים ציבוריים מקוונים 54,55,79,80 עבור מערכת זיהוי ביולוגי 46, גישה כזו מוגבלת על ידי הרצפים המופקדים הזמינים. נהפוך הוא, השימוש בתיחום מינים מולקולרי יכו...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
אין לנו מה לחשוף.
אנו מודים ללשכת הדיג ומשאבי המים (BFAR) וליחידות השלטון המקומי הנוגעות בדבר על שהעניקו לנו הסכמה מדעת מראש לבצע דגימת מגוון ביולוגי. אנו מודים לד"ר הנדריק פרייטג על הדרכתו בעבודה טקסונומית. אנו מודים גם לסוקרים ולעורכים על הערותיהם המועילות והבונות. לבסוף, אנו מביעים את תודתנו העמוקה למענק הפרויקט הגדול של מועצת המחקר האוניברסיטאית (URC 2022-09) ולמענק הפרסום בגישה פתוחה של אוניברסיטת אטנאו דה מנילה, קרן המחקר והפיתוח של הסטודנטים SC Johnson למנהיגות סביבתית של מכון המחקר Ateneo למדע והנדסה, ו-LinnéSys: קרן המחקר הסיסטמטית של האגודה הלינאית של לונדון ואיגוד הסיסטמטיקה על מימון מחקר זה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| בהקדם האפשרי | סייר Spart | https://bioinfo.mnhn.fr/abi/public/asap/asapweb.html | |
| מחשב | כל יחידת עיבוד | ||
| מגה אקס | תוכנת מגה | https://www.megasoftware.net/ | |
| שרת אינטרנט mPTP | https://mptp.h-its.org/#/tree | ||
| שרת אינטרנט PTP | מכון היידלברג ללימודים תיאורטיים (HITS) | https://species.h-its.org/ptp/ | |
| מזהה מינים | https://taxondna.sourceforge.net/ |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.