17.09.2024 | Haoyun Liu | WSL News
Il 79% delle specie di anfibi è inserito nella Lista Rossa delle specie minacciate in Svizzera. Come possiamo comprenderle meglio per migliorare la conservazione? Un gruppo di ricerca congiunto ETH-WSL ha sviluppato dei rilevatori di DNA per identificare rapidamente le specie di anfibi nei campioni d'acqua degli stagni. Hanno testato con successo il loro metodo in Argovia.
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Gli anfibi sono tra i gruppi tassonomici più minacciati in Svizzera. Delle 19 specie svizzere valutate nel 2023, 15 fanno parte della Lista Rossa dell'Ufficio federale dell'ambiente. Per proteggere meglio gli animali a rischio e mantenere la biodiversità, è essenziale monitorare l'evoluzione delle loro popolazioni e distribuzioni.
Flurin Leugger, dottorando, e i suoi colleghi del gruppo di ricerca congiunto ETH-WSL Ecosystems and Landscape Evolution, hanno individuato la necessità di migliorare i metodi di monitoraggio della biodiversità. In un articolo pubblicato il mese scorso su Molecular Ecology Resources, il team presenta una nuova tecnica sviluppata per il monitoraggio degli anfibi. Per testare questo nuovo approccio, lo hanno applicato a nove stagni nel Cantone di Argovia.
I metodi di monitoraggio tradizionali richiedono molto tempo e lavoro. Esperti formati visitano i siti di riproduzione degli anfibi, come gli stagni, e registrano le specie che vedono o sentono, se hanno la fortuna di incontrarle. Questo non sempre fornisce un quadro completo: alcune specie potrebbero non essere registrate, anche dopo più visite.
Indizi di DNA nei corpi idrici ¶
In alternativa, sono stati sviluppati metodi molecolari per monitorare le specie utilizzando il DNA ambientale (eDNA), fornendo una visione più completa. Quando gli organismi viventi si nutrono, eliminano cellule ed espellono scarti, lasciando tracce di DNA nell'ambiente. Gli scienziati raccolgono questo eDNA dall'habitat per identificare le specie che lo abitano. Per gli anfibi, un campione d'acqua dello stagno contiene indizi della popolazione al suo interno.
Tuttavia, le migliori pratiche attuali per l'analisi dell'eDNA non sono adatte al monitoraggio della biodiversità di un piccolo gruppo di specie, come quelle minacciate o invasive. Da un lato, il metabarcoding (vedi riquadro) è il migliore per individuare grandi gruppi di specie che vivono nello stesso ambiente. È costoso e i risultati sono lenti da ottenere e analizzare. D'altro canto, la qPCR è più adatta per rilevare la presenza di una singola specie alla volta (vedi riquadro). Ma che dire di una situazione intermedia, quando vogliamo verificare la presenza di un piccolo gruppo di specie a rischio, per esempio?
Leugger e colleghi hanno sviluppato una soluzione elegante, chiamata "ampliscanning". Il nome si riferisce a due fasi chiave del metodo: l'amplificazione e la scansione. In primo luogo, poiché il DNA degli anfibi è presente in quantità molto ridotte negli stagni, viene copiato molte volte per facilitarne il rilevamento. Poi, hanno cercato 7 specie di anfibi svizzeri costruendo dei rilevatori molecolari. Questi scansionano il DNA amplificato degli anfibi e diventano fluorescenti se è presente il DNA della specie corrispondente. "Questo ci permette di cercare specie specifiche a rischio di estinzione o invasive. È più veloce e più efficiente dei metodi precedenti", spiega Leugger. La sfida più grande di questo progetto è stata quella di assicurarsi che questi rilevatori fossero specifici per ogni specie. "Perché quando si rileva, ad esempio, una specie rara, come un tritone punteggiato, si vuole essere sicuri che sia davvero questo tritone e non un rospo comune ad aver emesso il segnale", spiega Flurin.
Ampliscanning in pratica ¶
Per testare questo nuovo metodo, gli scienziati hanno analizzato l'eDNA di nove habitat di anfibi in Argovia e hanno confrontato i risultati con i dati di monitoraggio tradizionali del cantone. L'ampliscanning ha rilevato un numero maggiore di specie in una sola visita rispetto a tre visite di monitoraggio tradizionale.
È interessante notare che questo aumento di efficienza è stato maggiore per le specie elusive. Con l'ampliscanning sono stati trovati più tritoni in un maggior numero di località, poiché i tritoni si nascondono nella vegetazione subacquea e sono difficili da individuare. Solo in due siti, il monitoraggio tradizionale ha individuato le raganelle europee, mentre l'eDNA non le ha rilevate, poiché hanno un richiamo forte e caratteristico durante la notte. Poiché l'eDNA non è distribuito in modo uniforme, è possibile che le aree campionate non contenessero tracce di DNA di raganella europea.
L'ampliscanning può essere adattato ad altre specie. Rende il monitoraggio genetico della biodiversità più accessibile ed efficiente in termini di costi. Il prossimo passo sarà quello di creare test rapidi, eseguiti direttamente sul campo e disponibili al pubblico, per promuovere il monitoraggio della biodiversità su larga scala. La nuova tecnica aiuta a comprendere meglio le specie minacciate e a migliorare le misure di conservazione.
Tritone crestato (Triturus cristatus), classificato come "fortemente minacciato", e i metodi eDNA sono particolarmente efficaci per rilevarlo. (Foto: Thomas Reich)
La Raganella comune (Hyla arborea), classificata "vulnerabile", è facilmente identificabile con i metodi tradizionali in quanto chiama ad alta voce di notte. (Foto: Thomas Reich)
Tritone alpino (Ichthyosaura alpestris), classificato come "non minacciato", e i metodi di eDNA sono particolarmente efficaci per individuarlo. (Foto: Thomas Reich)
Tritone punteggiato (Lissotriton vulgaris), classificato come "fortemente minacciato", e i metodi di eDNA sono efficaci per individuarlo. (Foto: Thomas Reich)
Metodi genetici nella conservazione ¶
In sostanza, l'ampliscanning ottimizza il monitoraggio della biodiversità combinando aspetti di tre metodi. È più specifico del metabarcoding, meno restrittivo della qPCR, e beneficia dell'adattabilità e della precisione della diagnostica CRISPR.
La reazione a catena della polimerasi (PCR) copia più volte una sezione di DNA bersaglio. Quando si utilizzano primer specifici per il DNA, come nella PCR quantitativa (qPCR), è possibile cercare la presenza di una particolare sequenza di DNA, o specie, in un campione, come è stato fatto, ad esempio, per il test COVID. Tuttavia, questa specificità del primer rende difficile l'uso della qPCR per il monitoraggio di più specie contemporaneamente.
I primer definiscono l'inizio e la fine del segmento di DNA amplificato nella PCR. Si tratta di brevi sequenze di DNA sintetico, specifiche per la sezione di interesse. Progettare e testare questi primer è un processo che richiede molto lavoro.
La metabarcodifica amplifica sezioni di DNA dall'eDNA comuni a un gruppo di specie. Esistono primer standard per tutti gli anfibi o i pesci, ad esempio. Il DNA amplificato viene poi sequenziato per confrontare il codice genetico con le banche dati e identificare le specie presenti nel campione. Questa parte è costosa e richiede tempo.
La diagnostica CRISPR (Dx) utilizza proteine batteriche per identificare specifiche sequenze di DNA di una specie. I CRISPR-Dx sono essenzialmente bio-detective, utilizzati soprattutto in contesti medici, come il rilevamento del virus Zika. Il sistema CRISPR-Dx riconosce sezioni specifiche del DNA con l'aiuto di sequenze guida. Queste sequenze guida possono essere progettate per rilevare qualsiasi sequenza di DNA e sono altamente specifiche, rendendole più efficienti e facili da progettare rispetto ai primer della qPCR. Al riconoscimento del bersaglio, viene emesso un segnale di fluorescenza.
L'ampliscanning combina i principi di questi metodi: primer di metabarcoding per amplificare il DNA di un gruppo di specie e un sistema CRISPR-Dx per rilevare specifiche sequenze di DNA all'interno del DNA amplificato. Ciò consente di effettuare rilevamenti specie-specifici simili alla qPCR, ma permette di rilevare più specie contemporaneamente. In questo modo, l'ampliscanning evita il costoso e lungo sequenziamento richiesto dal metabarcoding.
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