長期的な研究は、進化の過程と適応のメカニズムを理解することに不可欠です。一般的に、これらの研究は、研究者の人生の時間を超えてのコミットメントを必要があります。ここでは、強力な方法、自然における縦断的データを生成する最新のデータ収集を劇的に進むことを説明します。
長期的な研究は、長期にわたる発生するエコ進化プロセスの識別を有効にします。さらに、今後の環境変化に自然の生態系の進化的応答を予測する予測モデリングに使用可能性がありますキーの実証的データを提供します。ただし、いくつかの例外的な場合を除き長期的研究が不足している時間のサンプルへのアクセスに関連付けられているロジスティックの難しさのためです。ダイナミクスよく野生の自然個体群の進化を再構築する優れた研究と実験室または制御メソコスム実験が研究されています。
復活したり、復活休眠オオミジンコ、水生生態系の広範な動物プランクトン キーストーン種の新式の縦断的データ収集を劇的に向上する標準操作手順 (SOP) を提供するここでは、自然のシステム。復活の生態学の分野は、にもかかわらず、最初の試みは 1980 年代後半に戻って休眠動物プランクトンの卵の日付を孵化で Kerfoot および同僚によって 1999 年に定義されました。以来 Kerfoot の精液のペーパー、動物プランクトン種を復活させる方法論はますます頻繁応用された、直接の知識の伝達を介してのみ研究所の間で伝達されるが。ここで、SOP は説明した休眠オオミジンコを復活の実践手順プロトコルを提供する卵。
2 主要な研究は、提供するのフィットネス応答復活するミジンコ集団で測定地球温暖化、同じ設定で歴史と近代的な人口を勉強する能力を生かしてします。最後に、復活または休止状態のままステージに次世代シーケンス技術のアプリケーションを説明します。これらの技術は、プロセスと時間をかけて選択圧力の変化を経験している集団に適用した場合の進化のメカニズムを解剖を前例のない電力を供給します。
長期的な研究は生態学的・進化的プロセス、自然と種に対応し、環境変化1中に保持する方法の評価を理解するために重要です。これは、エコ進化のプロセス世代にわたって起こる長い時間スパンで環境の変化が発生するためです。さらに、長期的な研究は、環境の変化2自然の生態系の進化的応答を予測する予測モデリングの精度を向上させるキーの実証的データを提供します。これらのモデルの精度は、生物多様性と生態系サービスを維持するために管理と保全戦略の実装に不可欠です。
長期的な研究が主研究室5,6で伝達できます短い世代時間を種に限られているいくつかの例外的な場合 (例えば、ガラパゴス ダーウィンのフィンチの3や藻類の4)、除く,7,8します。 したがって、進化のダイナミクスを支えるプロセスのとらえどころのないままです。時間のサンプルへのアクセスに関連するロジスティックの問題のため実証データより頻繁に一時的なコンテキストの空間よりも検討していると推測、または空間データからモデル化される時空間エコ進化の過程。このアプローチは、’ 時空 ‘ 置換9、進化のダイナミクスを研究する際に代理として空間を採用するというと呼ばれます。’時空’ 置換の主な制限は、同じ人口の変動と異なる空間スケールでの適応の料金は異なることしたがって、空間と時間の交換に基づく推論バイアス10にあります。
時間をかけて自然の生態系の進化のダイナミクスを研究する強力な代替手段は、生産休止状態段階11種の生態学的、遺伝的変化の分析です。これらの休止状態の段階が正確に日付がつく成層フォーム生物アーカイブに蓄積し、paleolimnologically12,13を特徴とします。重要なは、これらの休止状態の段階は蘇生し、環境の変化に彼らの進化的応答を直接測定できる、実験室で使用できます。人口推移は、フィットネスの変更、環境の変更14,15,16のステップで進化する遺伝子の機能を研究する現代進化した子孫競んだことができます。
休止状態の段階では卵の銀行など、種、嚢胞、胞子。復活の生態学の分野が正式にされている後半 1980 年代の17、および研究の一握りに戻って休眠卵の蘇生日付に関する最初の研究は、初期の 1990 年代18,19でこの手法を適用しているがKerfoot と 1999年20で同僚の精液の紙によって設立。この実習は、淡水種17,21,22paleolimnological 再建を中心に適用されています。ただし、わいろはまだ利用できません。ここでは、孵化からクローン培養の確立に堆積物のサンプリングから、動物プランクトン種ミジンコ休眠卵に適用復活プロトコルの手順を追って説明が提供されます。ミジンコの他の種に容易に譲渡することは、SOP の手順だけでなく、さらなる最適化が必要な手順を説明します。
ミジンコは、淡水動物プランクトンに共生性生息地23の大半に存在です。ミジンコ種、どちらか偏無性または循環的な parthenogens です。D. マグナは24好ましい環境条件の下でクローンを再現した循環的な parthenogen です。環境条件が悪化すると、男性の生産が発生し、有性生殖の組換えは、ephippium と呼ばれるキチン ケースによって環境から保護されて休眠状態に入る受精卵の形成に 。これらの休眠卵の孵化良好な環境条件を返すときの割合。ただし、休眠卵の銀行の大きい割合に決してハッチ、したがって生物学的アーカイブを時間をかけて構築するチャンスがあります。休止状態の段階は湖や池の堆積物で埋まったままし、長期にわたる進化ダイナミクスの研究を復活することができます。D. マグナの休眠卵は有性生殖の組換えの結果なので25種の自然な遺伝的多様性をうまく表現しています。また、彼らクローン生殖実験室で使用して管理できます。これらの特徴は、自然な遺伝的多様性を維持しながら、同質のモデル生物のユニークな利点を提供します。
2 主要な研究は、時間をかけて環境選択圧が発生して直接D. マグナの同じ人口の歴史的および現代の子孫を比較することの利点を実証する掲載されています。D. マグナ標本湖リング (デンマーク)、浅いから復活した (5 m 深さ; 表面 22 ha) 混合の池は、時間の経過とともに平均温度と熱波の発生の増加を経験しています。D. マグナ(サブ) 集団 (1960-2005 年) の 60 年にわたるこの時空間勾配に沿って復活し、温度が温暖化に対する進化的応答比較検討しました。一般的な庭の実験の最初の研究で今後 100 年間の気候変動の政府間のパネルの予測に沿って、+6 ° C の温度の増加への応答でフィットネス リンク生活史形質の変化を調べた26. メソコスム実験だった 3 つの競争力を測るため 2 番目の研究では、温暖化の下で (サブ) 集団。組み合わせてこれらの実験を示す唯一のストレスとして地球温暖化の存在下ですべての生活史特性と人口可塑性の高いレベルを示す等しい競争力のある能力を持っています。ここで学んだ単一応力をかけない重要なフィットネス コスト少なくとも人口が温暖化が示唆されました。
水の高熱伝導による淡水生態系、生物多様性損失に直面してグローバル生態系よりもリスクが高い地球温暖化34。したがって、これらの生態系のキーストーン種の応答を理解し、熱応力を生き残るために対処するメカニズムを識別するために重要です。種や群集レベルでのこれらのメカニズムの解明はどのように種は地球温暖化により影響を受けるし、どのように個々 の種に及ぼす影響は他の栄養レベルにカスケードを予測を助けることができます。最終的には、地球温暖化への応答のメカニズムを理解することにより、絶滅を軽減するための改善戦略の同定。
ここで紹介する事例を示すD. マグナの温度上昇に対する反応の媒介行き渡って生活史形質の可塑性と温度上昇だけでレスポンスの明確な適応コストを課すことはありません少なくとも、人口はここで学んだ。生活史形質の高い可塑性は、地球温暖化の存在下で (サブ) 集団の競争能力の非有意差によってサポートされます。ただし、複数の個体群の長期的な競争実験これらの調査結果を一般化する必要があります。
休眠ステージの復活は、時間10種の進化の軌跡と適応メカニズムを研究する前例のないリソースを提供します。動物プランクトン種急速な生成時間 (約 2 週間) や先祖、子孫に対して headtohead を競争または ‘リプレイ’ 過去のさまざまな状態から始まる進化を可能にする休止状態段階の生存の恩恵します。復活生態は本質的に特定の進化の結果はいくつかの事前のイベント次第であるかどうかの調査を実行できます。進化の遺伝的要素の id は、現在の進化した子孫6との比較分析のための微生物を ‘先祖ライン’ を凍結し、蘇生を用いた室内実験で可能です。生物実験室での作業の主な制限の 1 つは ‘先祖の状態が既にシフトのベースラインであること。休止状態段階の研究により、供試体から任意のストレス事象 (例えば、自然のままの環境条件) 時から、過去のさまざまな状態を乱さない環境条件から進化の軌道を測定するためのサンプリングまで現代。近年、復活または休止状態のまま動物プランクトンの段階で DNA 多型の研究は現代の人口14の遺伝子構造に貢献した過去の人口統計学および適応プロセスに重要な洞察を提供して,16,25,33,35,36. ゲノムとトランスクリプトーム復活または休止状態のままステージの高スループット シーケンス テクノロジーの高いアクセシビリティを指定してを配置できます、上個体群の進化における蓄積型と遺伝の変更の数時間を測定します。
復活紹介 SOP マルチ オミックスの分野で重要なアプリケーションを 2 つのレベルに。マルチ オミックス技術は、環境選択圧に適応応答に関与する分子素子の網羅的解析をできるように復活の標本に適用できます。また、オミックス技術はまだ休止状態段階ですが互換に適用できます。これまでのところ、休眠期に高スループット シーケンス テクノロジーのアプリケーションは入力材料の大きい量の条件によって制限されており。これらの制限は、リフト37をされています。入力素材と流体素子の進歩の低下の要件に全ゲノム配列 (WGS) が少しとして 1 から可能になりました ng または材料38を開始いくつかの pg。全ゲノム増幅 (WGA) と全トランスクリプトーム増幅 (WTA) 技術、組織の非常に少量からの RNA そして DNA の濃縮の有効化の使用はメタゲノミクス39,40医療に革命をもたらしました41を研究します。互換休眠卵に適用されるこれらの技術は、休眠中の段階の生存率および拡張の期間 (例えば世紀) の調査に関連する制限の超過を有効にします。
無脊椎動物群集の休憩の段階の生産の復活によりコミュニティ歴史自然の風景で知られている変更や堆積物中の orsoils2の解析からみた環境変遷の配置です。コミュニティ環境変動への応答の変化の分析は、人口永続化43, 栄養相互作用44 に実質的な影響を持つ環境進化フィードバック42を定量化する能力を提供してくれます、コミュニティ アセンブリ45、および生態系の機能・ サービスの46に変更。最後に、環境変化に対する生体の応答について正確な予測が重要47生物多様性の保護を導くためです。アカウント人口統計学、散布、進化、種の相互作用など重要な生物学的メカニズムを考慮されていませんので、現在の予測モデルはこの点で正確ではありません。これらのプロセスの変更を理解し、事前の予測モデルとしてこの情報を使用して種を予測する能力を向上させる、環境に直面してコミュニティの永続化の変更2。
ここで紹介する SOP のアプリケーション課題があります。休眠ステージの復活の主な制限は、サンプリングのための特殊な装置の必要性です。さらに、土砂ふるいクローン文化の確立から、プロセス全体は、手にかなりの時間を必要があります。
ここで示した SOP 手順の一部は容易に他のミジンコ種に譲渡です。これらは、: サンプリング、系統と実験的なデザインの確立。ただし、SOP の他の手順はさらに調査の下で種に合わせた最適化を必要があります。カプセル化解除多くの場合、孵化の成功を改善するD. マグナ標本に適用されます。ただし、このアプローチより少量の試料に適したかもしれません。種48および同種試料49の間では、孵化刺激によっても異なります。したがって、SOP の孵化手順のアドホック最適化アプリケーションその他の甲殻類を前に必要があります。D. マグナの人口湖リング (堆積アーカイブ全体では 30.5%) から復活の孵化成功は以前の結果49に沿って、しながら孵化成功堆積物、種の保存状態によって異なります50,51及び土砂48の地理的な起源。エントリと休眠の段階を経て進行するようすを調節するメカニズムの今後の課題が異なる種に合わせた最適な孵化刺激を識別するために必要です。
最後に、背景的知識の学習システムの特に時間をかけて興味の種の存在はことをお勧めします。これは、歴史的な記録で実現できます。史料が利用できない場合をサンプリングし、コアの採取前に湖の堆積物の表面層のスクリーニングがお勧め、それは最も最近の歴史にだけ情報を提供可能性があります。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、NERC ハイライト グラント (NE/N016777/1) によって支えられました。Ensis 株式会社環境科学サービス、環境変化研究センター、大学大学ロンドン、サンプリングし、堆積物コアに日付を記入しました。
sampling bags | Fisher Scientific | 11542783 | Sampling bag revolve round wires closure system and safety tabs sterile polyethylene with writing area clear 89µm thickness 140mm x 229mm, 720mL Fisherbrand |
piston corer | ENSIS ltd | na | Long, heavy tube plunged into the sea, lake, pond floor to extract samples of mud sediment. Piston corers have a viariable diameter and are generally in PVC |
precision scale | Veritas-M124A | TLP-50 | Analytical Balance |
geological sieve | UKGE limited | SV7521 | 200 mm diameter geological sieve – 1 mm mesh |
geological sieve | UKGE limited | SV7525 | 200 mm diameter geological sieve – 0.125 mm mesh |
white sampling tray | nhbs | http://www.nhbs.com/title/view/159614?ad_id=1509 | Standard mulipurpose lab trays |
pasteur pipette | Globe Scientific inc. | 138020B | Transfer Pipet, 1.7mL, General Purpose, 87mm, Bulb Draw – 0.9mL |
stereo microscope | nikon | smz800 | Microscope with magnification range 1x -8x linked to a camera control unit |
petri dish | EduLab | 153-533 | Sterile 90mm diameter plastic petri dish |
glass jars | compak | Round Jam Jars 4oz | 100 mL jars |
glass jars | compak | Atum Jars/ Bonta Jar 10oz | 200 mL jars |
glass jars | bottlecompanysouth | 500ml Food Jam Jar With Twist Off Lid | 500 mL jars |
statistical software R | https://cran.r-project.org/ | na | Free online GNU language and environment for statistical computing and graphics |
microdissection forceps | Fisher Scientific | 41122405 | Fine point stainless steel forceps for microdissections |
image software | https://imagej.nih.gov/ij/index.html | na | Open source ImageJ image processing toolkit written in Java |
mesocosm | amazon | na | Nobby Fauna-Box III, 41 x 23 x 29 cm, 20.0 Liter |
mirocentrifuge tubes | Sigma_Aldrick – Merck | Z606340 | premium microcentrifuge tubes 1.5 mL |
AGENCOURT DNAdvance | Beckman Coulter | A48705 | DNA extraction kit |
size standard | Thermo Fisher Scientific | 4322682 | LIZ500 – Size standard compatible with ABI sequencers |
ABI3032 sequencer | ABI | na | Sequencer used to perform fragment analysis or sanger sequencing |