環境 DNA
8 Nov 2019. Jun Inoue

環境 DNA: または eDNA (environmental DNA)。土壌や水などの様々な環境中から採集される生物に由来する DNA のこと (Wikipedia)。

メタゲノム解析:環境サンプル中に含まれる DNA を分析することで、環境中の微生物集団(微生物叢) の構成に迫るアプローチ。

メタバーコーディング:環境中の DNA をまとめて分析して生物の種類を判定する技術。

DNA バーコーディング:バーコード領域 (ある生物群で重点的に蓄積した遺伝領域) を元にした生物同定手法。


論文

2019

Berry et al.(2019)
Marine environmental DNA biomonitoring reveals seasonal patterns in biodiversity and identifies ecosystem responses to anomalous climatic events, PLOS Genetics, 15(2): e1007943.

夏に生じた異常な高海水温の前後の年で,当該海域の生物多様性がどのように変化したのかを示す.
 オーストラリア西部海域で継続的な定点モニタリング調査を実施.8 つの遺伝子領域を対象.刺胞動物,軟体動物,甲殻類,魚類の他,合計, 20 門,245 科にわたる広範囲の生物分類群を検出.同時に測定した化学的水質調査のデータと統合.環境 DNA 調査が,海洋の状態を監視するツールになる可能性を示す (<環境創造研究所 19).

Jo, T., Arimoto, M., Murakami, H., Masuda, R., Minamoto, T. (2019)
Particle size distribution of environmental DNA from the nuclei of marine fish. Environmental Science & Technology 53, 9947-9956.

ミトコンドリア DNA と核 DNA の比率を年齢 (体サイズ) と比較.魚類の齢構成や発達段階を推定できる可能性を示唆.

Jo, T., Fukuoka, A., Uchida, K., Ushimaru A., Minamoto, T. 2019.
Multiplex real-time PCR enables the simultaneous detection of environmental DNA from freshwater fishes: a case study of three exotic and three threatened native fishes in Japan. Biological Invasions.

Jo, T., Murakami, H.,Yamamoto, S., Masuda, R., Minamoto, T. (2019)
Effect of water temperature and fish biomass on environmental DNA shedding, degradation, and size distribution. Ecology and Evolution 9, 1135-1146.

環境 DNA 学会. 2019.
環境 DNA 調査・実験マニュアル。Link.

最新のマニュアルは、環境 DNA 学会の web ページからダウンロード可能。

小関 右介. 2019.
河川における魚類相モニタリングを目的とした 環境DNAメタバーコーディング法の評価。人間生活文化研究。Link.

環境 DNA メタバーコーティング法*が、河川の魚類相調査で高い検出力があることを示す。
 佐渡島の河川において、環境 DNA メタバーコーディング法のよる検出種類数を、採捕調査と比較。結果は高い一致 (31種) を示した一方、前者は 12 種類多く検出。
DNA を MiFish で増幅し MiFish パイプラインによって解析。
*多種を同時に検出できる環境 DNA 解析により、生物モニタリングを行う手法。

Khnudsen SW. 2019.
Species-specific detection and quantification of environmental DNA from marine fishes in the Baltic Sea. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 510:31–45.

環境創造研究所. 2019.
環境DNA調査の海域への展開. Link.

総説.

Minegishi Y, Wong MK, Kanbe T, Araki H, Kashiwabara T, Ijichi M, Kogure K, Hyodo S. 2019.
Spatiotemporal distribution of juvenile chum salmon in Otsuchi Bay, Iwate, Japan, inferred from environmental DNA. PloS One 14:e0222052.

環境 DNA でサケ稚魚の分布を推定。三陸の川で生まれ、海に降ったサケ稚魚が、外洋に出る前に、湾内でいつ、どこに分布するのかを解明。

Pinol J, Senar MA, Symondson WOC. 2019.
The choice of universal primers and the characteristics of the species mixture determine when DNA metabarcoding can be quantitative. Molecular Ecology 28:407-419.

定量。

Ruppert KM, Kline RJ, Rahman MS. 2019.
Past, present, and future perspectives of environmental DNA (eDNA) metabarcoding: A systematic review in methods, monitoring, and applications of global eDNA. Global Ecology and Conservation 17.

総説。eDNA メタバーコーディング全般。

Stat M, John J, DiBattista JD, Newman SJ, Bunce M, Harvey ES. 2019.
Combined use of eDNA metabarcoding and video surveillance for the assessment of fish biodiversity. Conservation Biology 33:196-205.

Takeuchi A, Iijima T, Kakuzen W, Watanabe S, Yamada Y, Okamura A, Horie N, Mikawa N, Miller MJ, Kojima T, et al. 2019.
Release of eDNA by different life history stages and during spawning activities of laboratory-reared Japanese eels for interpretation of oceanic survey data. Scientific Reports 9:6074.

Takeuchi A, Sado T, Gotoh RO, Watanabe S, Tsukamoto K, Miya M. 2019.
New PCR primers for metabarcoding environmental DNA from freshwater eels, genus Anguilla. Scientific Reports 9:7977.

ウナギ属魚類・環境 DNA メタバーコーディングのためのプライマー、MiEel 開発。プライマーは、種間の差異を検出可能な ATP6 遺伝子領域に設計。
産卵場でニホンウナギの DNA を検出.西マリアナ海嶺周辺 9 ヶ所,それぞれ 12 層の水深で採水を実施.合計 108 検体の環境 DNA 分析を実施.水深 250m および 400m で採水した 3 検体からニホンウナギの DNA の検出に成功.

Takeuchi, A., S. Watanabe, S. Yamamoto, M. J. Miller, T. Fukuba, T. Miwa, T. Okino, T. Minamoto, K. Tsukamoto. 2019.
First attempt of an oceanic environmental DNA survey of the spawning ecology of the Japanese eel Anguilla japonica. Marine Ecology Progress Series, 609, 187, 196,

Tsuji, S., M. Miya, M. Ushio, H. Sato, T. Minamoto, H. Yamanaka (2019)
Evaluating intraspecific genetic diversity using environmental DNA and denoising approach: A case study using tank water. Environmental DNA. Link.

Tsuji, S., T. Takahara, H. Doi, N. Shibata, H. Yamanaka (2019)
The detection of aquatic macroorganisms using environmental DNA analysis —a review of methods for collection, extraction, and detection

総説。

Zinger L, Bonin A, Alsos IG, Balint M, Bik H, Boyer F, Chariton AA, Creer S, Coissac E, Deagle BE, et al. 2019.
DNA metabarcoding-Need for robust experimental designs to draw sound ecological conclusions. Molecular Ecology 28:1857-1862.

Editorial.


2018

荒木仁志ら。2018.
環境DNAによるサケの資源・生態研究。Link.

サケ資源量と環境 DNA 量との関係性の検証を目指す。
飼育実験:飼育水槽を利用し た環境 DNA の定量実験を実施。サケ検出用プライマーを作成し、DNA 濃度測定を行う。サケの環境 DNA 濃度は、孵化の後で消化管の完成や採餌行動が生じる前に、急速に上昇した。
野外での環境 DNA 検出:環境 DNA 量の季節変動と地理的濃度分布を推定。季節ごとの分布は説明可能。しかし、目視との比較では、環境 DNA 濃度はサケ個体数を反映しないこともあった。また、夏季ベーリング海調査でも、トロール調査によるサケ資源量推定と、同時に採集された環境 DNA 量の間には、明確な相関はなかった。
環境 DNA 研究の課題:環境 DNA 量が反映する時空間スケールと、これに影響を与える環境要因の特定。

Boussarie G, Bakker J, Wangensteen OS, Mariani S, Bonnin L, Juhel JB, Kiszka JJ, Kulbicki M, Manel S, Robbins WD, et al. 2018.
Environmental DNA illuminates the dark diversity of sharks. Sci Adv 4:eaap9661.

Gunther B, Knebelsberger T, Neumann H, Laakmann S, Martinez Arbizu P. 2018.
Metabarcoding of marine environmental DNA based on mitochondrial and nuclear genes. Scientific Reports 8:14822.

Hansen BK. et al. 2018.
The sceptical optimist: challenges and perspectives for the application of environmental DNA in marine fisheries. Fish and Fisheries 19.

総説。漁業への eDNA の利用。

Hering D, Borja A, Jones JI, Pont D, Boets P, Bouchez A, Bruce K, Drakare S, Hanfling B, Kahlert M, et al. 2018.
Implementation options for DNA-based identification into ecological status assessment under the European Water Framework Directive. Water Res 138:192-205.

総説。

Jensen MR, Knudsen SW, Munk P, Thomsen PF, Moller PR. 2018.
Tracing European eel in the diet of mesopelagic fishes from the Sargasso Sea using DNA from fish stomachs. Marine Biology 165.

胃内容物の eDNA から、ヨーロッパウナギをサルガッソー海で追う。

Leese, F., et al 2018.
Why we need sustainable networks bridging countries, disciplines, cultures and generations for aquatic biomonitoring 2.0: a perspective derived from the DNAqua-Net COST action. Adv. Ecol. Res.

総説。eDNA 解析の図がわかりやすい。

Mizumoto H, Urabe H, Kanbe T, Fukushima M, Araki H.
Establishing an environmental DNA method to detect and estimate the biomass of Sakhalin taimen, a critically endan- gered Asian salmonid. Limnology 2018; 19: 219-227.

イトウを用いて、体サイズと環境 DNA 濃度に正の相関があることを示す。

Parsons KM, Everett M, Dahlheim M, Park L. 2018.
Water, water everywhere: environmental DNA can unlock population structure in elusive marine species. Royal Society Open Science 5.

Pawlowski J, Kelly-Quinn M, Altermatt F, Apotheloz-Perret-Gentil L, Beja P, Boggero A, Borja A, Bouchez A, Cordier T, Domaizon I, et al. 2018.
The future of biotic indices in the ecogenomic era: Integrating (e)DNA metabarcoding in biological assessment of aquatic ecosystems. Science of the Total Environment 637-638:1295-1310.

総説。eDNA メタバーコーディングによる水界生態系・生物学的影響評価の未来。

Pikitch EK. 2018.
A tool for finding rare marine species. Science 360:1180-1182.

Sato Y, Miya M, Fukunaga T, Sado T, Iwasaki W. 2018.
MitoFish and MiFish Pipeline: A Mitochondrial Genome Database of Fish with an Analysis Pipeline for Environmental DNA Metabarcoding. Molecular Biology and Evolution 35:1553-1555.

MiFish 解析パイプラインの開発。

Ushio, M., Murata, K., Sado, T., Nishiumi, I., Takeshita, M., wasaki, W., Miya, M., 2018.
Demonstration of the potential of environmental DNA as a tool for the detection of avian species. Sci. Rep. 8, 4493.

環境 DNA による鳥類の種判別。


2017

Andruszkiewicz EA, Sassoubre LM, Boehm AB. 2017.
Persistence of marine fish environmental DNA and the influence of sunlight. PloS One 12:e0185043.

Andruszkiewicz EA, Starks HA, Chavez FP, Sassoubre LM, Block BA, Boehm AB. 2017.
Biomonitoring of marine vertebrates in Monterey Bay using eDNA metabarcoding. PloS One 12:e0176343.

魚類相。

Bakker J, Wangensteen OS, Chapman DD, Boussarie G, Buddo D, Guttridge TL, Hertler H, Mouillot D, Vigliola L, Mariani S. 2017.
Environmental DNA reveals tropical shark diversity in contrasting levels of anthropogenic impact. Scientific Reports 7:16886.

魚類相。

Bean TP, Greenwood N, Beckett R, Biermann L, Bignell JP, Brant JL, Copp GH, Devlin MJ, Dye S, Feist SW, et al. 2017.
A Review of the Tools Used for Marine Monitoring in the UK: Combining Historic and Contemporary Methods with Modeling and Socioeconomics to Fulfill Legislative Needs and Scientific Ambitions. Frontiers in Marine Science 4.

総説。

Cariani A, Messinetti S, Ferrari A, Arculeo M, Bonello JJ, Bonnici L, Cannas R, Carbonara P, Cau A, Charilaou C, et al. 2017.
Improving the Conservation of Mediterranean Chondrichthyans: The ELASMOMED DNA Barcode Reference Library. PloS One 12:e0170244.

Ishige, T., Miya, M., Ushio, M., Sado, T., Ushioda, M., Maebashi, K., Yonechi, R., Lagan, P., Matsubayashi, H., 2017.
Tropical-forest mammals as detected by environmental DNA at natural saltlicks in Borneo. Biol. Conserv. 210, 281e285.

環境 DNA による哺乳類の種判定。

Jo, T., Murakami, H., Masuda, R., Sakata, M. K., Yamamoto, S., Minamoto, T. (2017)
Rapid degradation of longer DNA fragments enables the improved estimation of distribution and biomass using environmental DNA. Molecular Ecology Resources 17 (6), e25-e33.

長い DNA 断片を特異的に検出.死んだ個体由来の「古い DNA」を除去し,新鮮な生物情報だけを取り出せる可能性を示唆.

Sigsgaard EE. et al. 2017.
Seawater environmental DNA reflects seasonality of a coastal fish community. Marine Biology 164.

Stoeckle MY, Soboleva L, Charlop-Powers Z. 2017.
Aquatic environmental DNA detects seasonal fish abundance and habitat preference in an urban estuary. PloS One 12:e0175186.

魚類相。

Yamamoto et al.(2017)
Environmental DNA metabarcoding reveals local fish communities in a species-rich coastal sea, Sci. Rep., 7: 4036

わずか 1日 6 時間の環境 DNA 調査で,過去 14 年間にわたる潜水艦札調査で確認された魚種の 62.5%(40種) を検出.魚類相を網羅的に調べることが可能な MiFish 法を用いる.


2016

Iwasaki, W. 2016.
環境 DNA 解析のインパクト。実験医学 vol34
.

総説。

Iwasaki, W. 2016.
環境 DNA 解析。メタゲノム解析 実験医学別冊.

総説。環境 DNA 解析とメタゲノム解析の違い。実験作業 (DNA 抽出とその後の扱い) は、同じ。しかし、環境 DNA 量は、微生物細胞中の DNA 量に比べて少量。このため環境 DNA は、 PCR によって事前に DNA を増幅する必要がある。コンタミも注意。環境 DNA のアンプリコンシークエンスでは少量の DNA を増幅するために、微生物叢の解析以上に、定量性の評価が難しい。

Minamoto et al. 2016.
Techniques for the practical collection of environmental DNA: filter selection, preservation, and extraction. Limnology 17 22-32. Link.

魚類をはじめとする大型脊椎動物に由来する環境 DNA が、0.7um のフィルターでろ過することで、効率よく収集できる (< Iwasaki et al. 16)。

Miya M, Minamoto T, Yamanaka H, Oka S, Sato K, Yamamoto S, Sado T, Doi H. (2016)
Use of a Filter Cartridge for Filtration of Water Samples and Extraction of Environmental DNA. Journal of Visualized Experiments 117: e54741. Link.

Thomsen PF, Moller PR, Sigsgaard EE, Knudsen SW, Jorgensen OA, Willerslev E. 2016.
Environmental DNA from Seawater Samples Correlate with Trawl Catches of Subarctic, Deepwater Fishes. PloS One 11:e0165252.

グリーンランド沖にある中層深海性魚類の水産資源量を調査する手法として,従来のトロール漁法と環境 DNA 調査法を比較.従来の方法で確認された魚種の 93% が環境 DNA でも検出された.また,漁獲重量と DNA 配列数に優位な正の相関が認められることから,環境 DNA 調査が資源量推定法として使える可能性を示唆 (<環境創造研究所 2019).

東樹宏和. 2016.
DNA 情報で生態系を読み解く。共立出版。

DNA 情報を用いて生物群集や生態系の仕組みを探るための基礎技術を紹介。

Yamamoto S, Minami K, Fukaya K, Takahashi K, Sawada H, Murakami H, Tsuji S, Hashizume H, Kubonaga S, Horiuchi T, et al. 2016.
Environmental DNA as a 'Snapshot' of Fish Distribution: A Case Study of Japanese Jack Mackerel in Maizuru Bay, Sea of Japan. PloS One 11:e0149786.

環境 DNA 調査により,海域におけるマアジの生物量を把握できると主張.環境 DNA 濃度と魚群サイズに有意な正の相関を見出す.
 舞鶴湾内部に,網の目状に 47 ヶ所の調査地点を設置.湾内の祐選手であるマアジを対象とする.環境 DNA 調査と計量魚群探知機を用いた調査を同じ地点で実施し,得られた資源量を比較.


2015

Doi H, Uchii K, Takahara T, Matsuhashi S, Yamanaka H, Minamoto T. 2015.
Use of droplet digital PCR for estimation of fish abundance and biomass in environmental DNA surveys. PloS One 10:e0122763.プレスリリース

高精度な環境 DNA の定量。デジタル PCR による (< Iwasaki et al. 16)。

Jane SF, Wilcox TM, McKelvey KS, Young MK, Schwartz MK, Lowe WH, et al. 2015.
Distance, flow and PCR inhibition: eDNA dynamics in two headwater streams. Mol Ecol Resour. 2015; 15: 216±227.

数 m から数百 m 離れると、環境 DNA が検出できなくなると報告 (< Iwasaki et al. 16)。

Miya M, Sato Y, Fukunaga T, Sado T, Poulsen JY, Sato K, Minamoto T, Yamamoto S, Yamanaka H, Araki H, et al. 2015.
MiFish, a set of universal PCR primers for metabarcoding environmental DNA from fishes: detection of more than 230 subtropical marine species. R Soc Open Sci 2:150088.

全魚種に有効なユニバーサルプライマー MiFish を設計し、その性能を水族館で検証。環境 DNA 解析における有効性も実証。平均 172bp と短いが、種の違いを識別するのに必要な多くの変異を蓄積している 12SRNA 遺伝子領域を増幅する。水をバケツ一杯程度くんでろ過し、DNA を抽出して分析するという、簡単な手法。一回の分析で 1000 サンプル以上 (1000 箇所) 以上の水のデータを得ることができる。
 プライマーの設計には、無顎類、軟骨魚類、肉鰭類、条鰭類を含む 96 種を用いる。

Thomsen, P.F., Willerslev, E., 2015.
Environmental DNA e an emerging tool in conservation for monitoring past and present biodiversity. Biol. Conserv. 183, 4e18.

環境 DNA の解説。


2014

Hata H, Tanabe AS, Yamamoto S, Toju H, Kohda M, Hori M. 2014.
Diet disparity among sympatric herbivorous cichlids in the same ecomorphs in Lake Tanganyika: amplicon pyrosequences on algal farms and stomach contents. BMC Biology 12:90.

捕食ー被食ネットワーク。タンガニイカ湖のシクリッド。藻類が繁茂した縄張り (藻園) がある種によって防衛されている場合でも、その藻類が縄張り以外に生息する他の種の餌になっている場合があることを示す。
 縄張りに生息する藻類と種の対応関係をネットワークとして表示。その上で、種とその餌の関係を、NGS 解析によって比較 (< Toju 2016)。

岩崎貴也,阪口翔太,横山良太,高見泰興,大澤剛士,池 田 紘士, 陶山 佳久 (2014)
生物地理学とその関連分野 における地理情報システム技術の基礎と応用. 日本生態
学会誌, 64:183-199

総説。エコロジカルニッチモデリングと Maxent について。地理情報システム(geographic infromation system, GIS; wiki)。生物の分布情報からと気候要員から生態ニッチモデルを構築し、気候シュミレーションから得られた異なる時代の気候レイヤに投影するアプローチなど。これにより、過去や現在、未来における生物の分布を予測できる。GIS を活用し、生態ニッチや系統地理データをあわせて解析することで、近縁種間でのニッチ分化や、種分化要因の検証なども可能になる。基礎的な解析ツールの紹介。

Kelly, R. P. et al. 2014.
Harnessing DNA to improve environmental management. Science. 344, 1455–1456.

Pilliod DS, Goldberg CS, Arkle RS, Waits LP. 2014.
Factors influencing detection of eDNA from a streamdwelling amphibian. Mol Ecol Resour. 2014; 14: 109±116.

両生類では、個体のいる地点から数 m から数百 m 離れると、環境 DNA が検出されなくなると報告 (< Iwasaki et al. 16)。

Yoshizawa S, Kumagai Y, Kim H, Ogura Y, Hayashi T, Iwasaki W, DeLong EF, Kogure K. 2014.
Functional characterization of flavobacteria rhodopsins reveals a unique class of light-driven chloride pump in bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111:6732–6737.サイエンスポータル

海洋細菌 (Nonlabens marinus) のゲノムを解読。そのゲノム情報から、新しい種類の微生物型ロドプシンを発見。このロドプシンは、光エネルギーを用いて塩化物イオンを細胞膜内向きにポンプする機能を持っている。同様の機能をもつ既知のロドプシンであるハロロドプシンとは進化系統的に大きく異なる。


2013

 


2012

Taberlet, P., Coissac, E., Hajibabaei, M. & Rieseberg, L. H. 2012.
Environmental DNA. Mol Ecol. 21, 1789–1793.

Takahara T, Minamoto T, Yamanaka H, Doi H, Kawabata Z. 2012.
Estimation of fish biomass using environmental DNA. PloS One 7:e35868.

生物量や個体数の推定。
 コイを用いた水槽実験と小型の池での操作実験により、環境 DNA 濃度と生物量との間に正の相関を見出す。これを用いて、野外で、コイ生物量がどのように分布しているか推定 (< Iwasaki et al 16)。

Taberlet P. et al. 2012.
Towards next-generation biodiversity assessment using DNA metabarcoding. Molecular Ecology. 2012, 21(8), p.2045-2050.

環境 DNA メタバーコーディングの開発。

Thomsen PF, Kielgast J, Iversen LL, Moller PR, Rasmussen M, Willerslev E. 2012. Detection of a diverse marine fish fauna using environmental DNA from seawater samples. PloS One 7:e41732.

世界初、環境 DNA 調査が海域でも適用可能なことを示す。漁港の内外で 1 地点あたり海水 1.5L を採水し,合計魚類 15種の検出に成功.
 水中では、環境 DNA は 1 週間ほどで検出不可能な濃度まで低下すると報告 (< Iwasaki et al. 16)。


2011

Riaz, T. et al. 2011.
ecoPrimers: inference of new DNA barcode markers from whole genome sequence analysis. Nucl Acid Res. 39, e145

最大で魚類 19 種を判定するプライマーの開発。ECOPRIMERS ソフトウェア。

Warren DL, Seifert SN. 2011.
Ecological niche modeling in Maxent: the importance of model complexity and the performance of model selection criteria. Ecological Applications 21:335-342.

系統地理に利用可能なモデル。GIS を利用。
Species distribution modelling (Wiki) に Maxent の記述がある。


2008

Ficetola, G.F., Miaud, C., Pompanon, F., Taberlet, P., 2008.
Species detection using environmental DNA from water samples. Biol. Lett. 4, 423e425.

環境 DNA 解析の端緒となった論文。湖沼の水資料から、外来種であるウシガエルの環境 DNA を、種特異的プライマーによる PCR によって増幅・検出。実際の観察結果と総合的であったことを報告。


2004

Venter JC, Remington K, Heidelberg JF, Halpern AL, Rusch D, Eisen JA, Wu D, Paulsen I, Nelson KE, Nelson W, et al. 2004.
Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea. Science 304:66-74.

微生物叢の解析。サルガッソー海におけるメタゲノム研究。

リンク

環境 DNA 学会

メタゲノミクス

環境 DNA 技術を用いた生物分布モニタリング手法の確立

Rusearch

Usearchを呼び出して実行するメタバーコーディングの解析パイプライン。R (Rstudio) を利用。