Geneettiset menetelmät valjastetaan merenhoidon tueksi– Tavoitteena biodiversiteettiseurannan tehostaminen
Suomen ympäristökeskus on testannut DNA-viivakoodeihin perustuvan eDNA-tekniikan käyttömahdollisuuksia nykyisen merenhoidon kasviplanktonseurannan tukena. Tutkijoiden mukaan menetelmän käyttö voi tarkentaa ja tehostaa kasviplanktonyhteisöjen biodiversiteetin seurantaa, joka on tulevaisuudessa yhä tärkeämpi osa meriympäristön tilan arviota.
Perinteisesti kasviplanktonseurannassa näytteet analysoidaan kansainvälisesti standardoidulla valomikroskopointimenetelmällä, jonka ansiosta Suomen kasviplanktonseurannan tulokset ovat vertailukelpoisia niin Itämerellä kuin muuallakin maailman merillä tehtyjen seurantatulosten kanssa.
Suomen ympäristökeskuksen tutkijat selvittivät ympäristöministeriön rahoittamassa GeMeKa-hankkeessa, millaista lisätietoa eDNA-menetelmä voisi tarjota kasviplanktonseurantaan. eDNA tarkoittaa ympäristö-DNA:ta, eli eDNA-tekniikkaa käytettäessä geneettinen analyysi tehdään koko vesinäytteelle eikä vedestä eristetyille yksittäisille soluille. Tutkijat analysoivat huhtikuussa 2021 merentutkimusalus Arandan kevätseurantamatkalla otetut näytteet valomikroskopoimalla ja eDNA-tekniikalla, yhdistivät aineistot, ja vertasivat eri menetelmillä saatuja tuloksia toisiinsa.
Tulosten pohjalta laadittiin menetelmäohje eDNA-tekniikan käyttöön meren kasviplanktonseurannassa.
Tavoitteena biodiversiteettiseurannan tehostaminen
Seurannan tuottamaa tietoa kasviplanktonyhteisöjen koostumuksesta hyödynnetään laajasti Itämeren tilan arvioinnissa, sillä rehevöitymisen ja ilmastonmuutoksen vaikutukset näkyvät meren perustuottajana toimivassa kasviplanktonyhteisössä usein jo aiemmin kuin ylemmillä ravintoverkon tasoilla.
– Kasviplanktonin monimuotoisuuden eli biodiversiteetin tarkka tutkiminen on monimutkaista, koska mikroskooppisten lajien tunnistaminen on haastavaa. Siksi Itämerelle ei ole vielä sovittu yhteistä indikaattoria, jolla kasviplanktonin biodiversiteettiä mitataan, vaikka muunlaisia kasviplanktonindikaattoreita on jo käytössä. Biodiversiteetti-indikaattorin kehittämiselle on tarvetta, sillä kasviplanktonin biodiversiteetti vaikuttaa huomattavasti ulappaekosysteemien tuotantoon, vakauteen ja ravinteiden käytön tehokkuuteen, mikä heijastuu koko meriekosysteemin terveyteen, kertoo erikoistutkija Sirpa Lehtinen Suomen ympäristökeskuksesta. Lehtinen koordinoi Suomessa tehtävää Itämeren kasviplanktonseurantaa.
Kasviplanktonin biodiversiteetin seurannan kannalta geneettisillä menetelmillä on paljon potentiaalia. Geneettiset menetelmät voivat parantaa esimerkiksi ulkoisilta piirteiltään samanlaisten lajien sekä harvalukuisten ja harvinaisten lajien tunnistamista. Lisäksi niiden avulla pystytään tunnistamaan myös sellaiset pienet yksittäin esiintyvät solut, joita ei valomikroskoopilla voi tunnistaa.
Testattu geneettinen menetelmä ei kuitenkaan riitä korvaamaan perinteistä mikroskooppianalysointimenetelmää, koska geneettisistä lajitietokannoista puuttuu paljon Itämeren lajistoa eikä geneettisellä menetelmällä saada biomassatietoa, jota tarvitaan Itämeren tilan arviointiin käytettävien rehevöitymis- ja ravintoverkkoindikaattorien laskentaan. Geneettisiä menetelmiä olisi kuitenkin hyödyllistä käyttää nykyisen mikroskopointiin perustuvan standardimenetelmän ohella, sillä ne tarkentavat biodiversiteetin seurantaa ja mahdollistavat biodiversiteetti-indikaattorin kehittämisen.
Pohjoiselta Itämereltä löytyi uusia lajeja
Valomikroskopoinnin ja eDNA-menetelmän tulosten vertaaminen kertoi, että osaa mikroskopoinnin perusteella yleisistä lajeista ei havaittu eDNA-tekniikalla, mutta toisaalta eDNA-tekniikalla saatiin tietoa, jota ei valomikroskopoinnilla saatu.
Geneettisellä eDNA-menetelmällä havaittiin kaksi lajia, joita ei ole aiemmin havaittu pohjoisella Itämerellä: nielulevä Teleaulax gracilis ja piilevä Thalassiosira hispida, sekä yksi uusi suku, panssarisiimaleväsuku Islandinium. Lisäksi eDNA-menetelmällä havaittiin panssarisiimalevä Polarella glacialis, jonka tiedetään esiintyvän pohjoisella Itämerellä, mutta jonka voi tunnistaa valomikroskoopin avulla vain leposolu-vaiheessa. Läntisellä Suomenlahdella havaittiin eDNA-menetelmän avulla kokkolitoforiheimo Noelaerhabdaceae, josta oli entuudestaan pohjoiselta Itämereltä vain epävarmoja havaintoja. Lisäksi eDNA-menetelmällä tunnistettiin esimerkiksi yksittäisinä soluina esiintyvä Cyanobium-sinileväsuku, jota ei voi tunnistaa valomikroskoopilla.
Vaikka eDNA-menetelmä osoitti kasviplanktonyhteisöjen biodiversiteetin olevan suuri, eDNA-menetelmällä havaittiin näytteistä vähemmän tunnettuja lajeja kuin valomikroskoopilla. Yksi syy tähän on se, että kaikki lajit eivät ole vielä mukana geneettisissä lajitietokannoissa, mikä on edellytys sille, että ne voidaan eDNA-menetelmässä tunnistaa.
– Tämä tulos korostaa geneettisten lajitietokantojen täydentämisen ja bioinformatiikkamenetelmien kehittämisen tarvetta, sanoo tutkija Jacqueline Jerney. Jerney työskenteli molekyylibiologina GeMeKa-hankkeessa.
Seurannan kehittäminen hyötyy laajasta yhteistyöstä
Seurantaohjelmien täydentäminen geneettisillä menetelmillä on kansainvälisesti kiinnostava ja ajankohtainen aihe esimerkiksi Itämeren suojelukomissio HELCOMin piirissä.
– EU:n tasolla pyrimme parantamaan merien ja vesistöjen tilaa, ja tärkeä osa tätä työtä on täyttää nykyisiä tiedon puutteita ja parantaa ymmärrystämme meri- ja vesiekosysteemeistä. Yksi EU:n tavoitteista on sekvensoida ja julkaista avoimesti 50 prosenttia meri- ja vesiekosysteemeissä elävien eliöiden DNA:sta vuoteen 2030 mennessä, kertoo tutkija Jacqueline Jerney.
Geneettisten seurantamenetelmien käyttöönotossa on järkevää edetä laajan kansallisen ja kansainvälisen yhteistyön kautta, jotta tietotaito ja kustannukset voidaan jakaa eri toimijoiden kesken. Suomen ympäristökeskuksen tutkimusryhmä järjesti hankkeen aikana viisi kansainvälistä etätyöpajaa, joihin osallistui kasviplanktonseurannan ja geneettisten menetelmien asiantuntijoita Itämeren alueelta ja Pohjoismaista. GeMeKa-hanke teki näytteiden keräämisessä ja sinilevien geneettisten analyysien osalta yhteistyötä tutkija Tiina Laamasen johtaman Suomen ympäristökeskuksen oman siemenrahaprojektin kanssa.
