Imagen:
Dirigido por el Dr. Mehrdad Hajibabaei, el Laboratorio Hajibabaei forma parte del Departamento de Biología Integrada de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Guelph. El laboratorio tiene su sede en el Centro de Biodiversidad Genética.
Vista Más
Crédito: Laboratorio Hajibabaii
Los investigadores que utilizan tecnología de ADN (eDNA) de última generación han descubierto más biodiversidad en las vías fluviales del este de Ontario que los métodos de control tradicionales descubiertos hace más de una década, lo que demuestra el potencial transformador del biomonitoreo basado en el ADN para la conservación del agua dulce y la gestión ambiental.
El estudio fue publicado en la revista Ecología molecularSe analizaron cucarachas, pequeños animales acuáticos como gusanos, insectos, grullas y otras especies de arroyos que se consideran indicadores clave de la salud del ecosistema de agua dulce en 18 arroyos en el sector agrícola de la cuenca del río South Nation en el este de Ontario. Los investigadores de ADN ambiental han descubierto que un año de metabarcodificación de ADN identifica más biodiversidad que los estudios convencionales, al tiempo que muestra señales ecológicas mucho más claras relacionadas con la agricultura, la calidad del agua y el uso de la tierra, basándose en datos morfológicos de 10 años recopilados durante 15 años.
«Este estudio muestra que los metacódigos de barras de ADN pueden revelar patrones ecológicos y cambios en la biodiversidad en los que los métodos tradicionales a menudo fallan», dijo el autor principal Mehrdad Hajibabaei. «La capacidad de detectar con rapidez y precisión cambios en las especies en los sistemas de agua dulce podría mejorar fundamentalmente la forma en que monitoreamos, gestionamos y protegemos los ecosistemas acuáticos bajo estrés ambiental».
El descubrimiento se produce en un momento en que los ecosistemas de agua dulce de todo el mundo enfrentan una presión cada vez mayor debido a la creciente agricultura, la expansión urbana, la contaminación y el cambio climático. La agricultura por sí sola ocupa más del 37 por ciento de la superficie terrestre y se considera uno de los principales impulsores de la disminución de la biodiversidad global.
El área del río South Nation, que cubre unos 3.900 kilómetros cuadrados en el este de Ontario, proporcionó un buen caso de prueba. El área tiene tierras agrícolas mixtas, bosques y expansión urbana, la mayoría de las cuales están fuertemente influenciadas por el extenso sistema de drenaje superficial utilizado para sustentar la agricultura intensiva.
Para realizar el estudio, los investigadores recolectaron especímenes de macrovertebrados durante el verano y el otoño de 2023 de arroyos que se extendían desde las laderas de bosques predominantemente hasta paisajes agrícolas intensivos. Utilizando metacódigos de barras de ADN, extraen y clasifican material genético de la mayoría de las muestras ambientales, lo que permite la identificación de cientos de especies simultáneamente mediante tecnología de secuenciación avanzada.
Los resultados muestran diferencias significativas entre el ADN y los métodos tradicionales.
La metabarcodificación de ADN encontró 282 especies en toda la cuenca, de las cuales 261 especies fueron detectadas completamente mediante métodos de ADN. El método, basado en la morfología tradicional, encontró sólo 22 especies que no fueron rescatadas mediante análisis de ADN, mientras que sólo 20 especies se superpusieron entre los dos métodos.
A nivel web, el análisis de metacódigos de ADN encontró más especies y órdenes que la identificación física. La abundancia promedio de especies por sitio fue de 59 especies usando ADN, en comparación con 15 usando el método convencional.
El análisis de ADN también descubrió una diversidad ampliamente oculta. Casi el 44 por ciento de las especies encontradas se produjeron en un solo lugar, lo que indica que muchas especies de agua dulce pueden tener una alta distribución regional que los métodos convencionales no podrían capturar.
Es importante destacar que los métodos basados en el ADN proporcionan una solución ecológica más clara. El análisis estadístico ha demostrado que los metacódigos de barras de ADN distinguen consistentemente entre sistemas de arroyos agrícolas y forestales y usos diversificados con mayor claridad que los datos de morfología históricos recopilados durante muchos años.
Los arroyos agrícolas han mostrado una fuerte correlación con procesos crecientes, turbulencias y niveles alterados de pH, indicadores relacionados con la escorrentía de fertilizantes, la alteración del suelo y el manejo dependiente del suelo. Por el contrario, los arroyos forestales están asociados con niveles más altos de oxígeno disuelto y una mayor biodiversidad.
«Incluso los pequeños cambios en la composición de la comunidad pueden proporcionar importantes señales de alerta temprana de estrés ecológico», escribe el autor. «El metacódigo de barras de ADN proporciona la flexibilidad necesaria para detectar estos cambios antes de que se haga evidente una mayor degradación ecológica».
Este estudio también revela las limitaciones a largo plazo del biomonitoreo basado en la morfología tradicional. Si bien el protocolo de la Red de Biomonitoreo del Bentos de Ontario, ampliamente utilizado, ha proporcionado una valiosa evaluación de flujos a lo largo de los años, este método depende en gran medida de la identificación de diccionarios de expertos, que puede ser lento, laborioso y, a menudo, indistinguible por la naturaleza relativa o inmadura del organismo.
De los casi 80.000 especímenes recolectados mediante inspecciones periódicas entre 2008 y 2022, la mayoría sigue sin resolverse a nivel de especie. A lo largo de los años del estudio, más del 90 por ciento de los especímenes no pudieron identificarse con seguridad como especie utilizando únicamente la morfología.
Por el contrario, la metabarcodificación de ADN ha generado rápidamente datos detallados de biodiversidad en múltiples niveles genéticos y ha identificado con éxito grupos que no son representativos o están completamente ausentes en los registros basados en morfología, incluidas muchas especies de insectos y crustáceos.
La tecnología podría fortalecer significativamente los programas de monitoreo de agua dulce a largo plazo, especialmente en áreas con presiones ambientales mixtas de la agricultura y la urbanización, dijeron los investigadores.
Este estudio respalda el creciente impulso internacional hacia la integración de enfoques de eDNA en programas de evaluación ambiental de rutina. Debido a que la metacodificación de ADN requiere menos dependencia de profesionales fiscales especializados, al tiempo que proporciona un procesamiento más rápido y una mayor reproducción, puede ayudar a los agentes a aumentar los esfuerzos de control a costos más bajos y con mayor sensibilidad ecológica.
Los autores enfatizan que los métodos tradicionales conservan valor, especialmente para la continuidad y el análisis históricos. Sin embargo, argumentan que el metacódigo de barras de ADN debería ser ahora un componente central de los marcos modernos de control biológico de agua dulce.
«Es probable que el futuro de la detección bioquímica en agua dulce combine pruebas de ADN rápidas y escalables con encuestas tradicionales bajo demanda», concluyeron los investigadores. «Este enfoque integrado proporciona una comprensión más oportuna y completa de los cambios ecológicos en los ecosistemas de agua dulce que enfrentan una creciente presión humana».
El estudio fue dirigido por el Laboratorio Hajibabaei del Centro de Genómica de la Biodiversidad y el Departamento de Biología de la Universidad de Guelph con colaboradores de la AAFC y South Nation Conservation.
«Monitoreo ecológico avanzado de hábitats afectados por prácticas agrícolas grandes y complejas a través de eDNA Metabarcoding» por Bráulio SML Silva, Andrew C. Riley, Emilia Craiovan, Michael Wright, Katherine Watson, David R. Lapen y Mehrdad Hajibabaii Ecología molecular. La financiación proviene del Fondo de Investigación Nuevas Fronteras, la Fundación Illumina, Medio Ambiente y Cambio Climático de Canadá y el Programa de Seguridad y Protección de Canadá.
