Hon spårar DNA från svårfångade arter som gömmer sig på tuffa platser

Tracie Seimon upptäckte tidigt sin passion för naturen. Som barn som växte upp i Colorado njöt hon av att "skörda insekter" från sin familjs bakgård och hålla en hobbymyrfarm. När hon såg träd som fälldes på tv blev hon upprörd. Hon och hennes far brukade studera natthimlen genom ett teleskop tills hennes nyfikenhet fick henne att ta isär teleskopet för att ta reda på hur det fungerade. Hon kunde aldrig få ihop det igen. När hennes föräldrar senare gav henne gåvan av ett mikroskop fick hon i uppdrag att lämna det intakt.

"Jag tittade på allt under den," sa hon.

2007, när Seimon var juniorfakultet vid Columbia University och valde en karriärväg, kände hon att hon drogs åt två motsatta håll. Hon kunde ha tackat ja till ett erbjudande om en anställning som fakultet för att fortsätta sin medicinska forskning om hjärt-kärlsjukdom. Men istället tog hon ett deltidsjobb för att hjälpa till att utveckla ett molekylärt laboratorium för Wildlife Conservation Society (WCS). Det förvandlades så småningom till ett unikt erbjudande att hjälpa till att lansera ett nytt labb på Bronx Zoo som en gemensam forskare för WCS och Columbia Universitys Center for Infection and Immunity. "Jag tränade på att upptäcka patogener" samtidigt som jag "sakta försökte bygga upp" det nya laboratoriet, sa hon.

I dag, Seimon är chef för WCS:s Molecular Diagnostics Laboratory baserat på Bronx Zoo. Hon har banat väg för användningen av DNA-baserad teknik för att upptäcka och övervaka arter i det vilda, särskilt i utmanande miljöer. Hennes forskning om biologisk mångfald har tagit henne till Peru, Myanmar, Vietnam, Kambodja, Ryssland, Uganda och Rwanda.

Seimon har till och med tagit sig upp på Mount Everest och ledde laget som gjorde det första omfattande miljö-DNA (eDNA) undersökning av biologisk mångfald där. Den forskningen var en del av 2019 nationella geografiska och Rolex Perpetual Planet Everest Expedition, den mest omfattande vetenskapliga expeditionen som någonsin genomförts på det berget.

Innan Seimons fältarbete tog henne till Mount Everest, reste hon många gånger till de peruanska Anderna. Hennes fokus är Sibinacochas vattendelare i den glaciäriserade bergskedjan Cordillera Vilcanota. I nästan 20 år har hon lett ett initiativ som undersöker effekterna av klimatförändringar och chytridsvampen (Batracochytrium dendrobatidis or Bd) på amfibierna som lever i den livsmiljön.

Quanta pratade med Seimon under videokonferens om hennes globala forskningsvandringar. Intervjun har förtätats och redigerats för tydlighetens skull.

Berätta om ditt laboratorium på Bronx Zoo.

Vårt labb är litet. Det mesta av den dagliga diagnostiken vi kör är tester för patogener på djuren i vår samling på WCS fyra djurparker och New York Aquarium. Vi har också forskningsprojekt där vi hjälper till att utveckla molekylära verktyg för bevarande, den typen av verktyg för att studera DNA som man bokstavligen kan slänga i en ryggsäck och ta med sig ut på fältet. Vi har till exempel utvecklat bärbara hundvalpsvirustester och eDNA-tester för utrotningshotade arter. Och vi utbildar fältforskare i många av de länder där vi arbetar med hur man gör denna bärbara DNA-testning.

Hur blev du involverad i eDNA-forskning?

Redan 2015 frågade våra kollegor om vi kunde använda tekniken för att testa för en sällsynt, hotad art: Yangtze jätte softshell sköldpadda (Rafetus swinhoei). Vi tillbringade mycket tid på att gå till våra Bronx Zoo-dammar, samla vatten, testa för att se vilka arter som fanns där och se om vi överhuvudtaget kunde göra eDNA-tester.

När jag först började verkade det nästan som science fiction. "Verkligen? Vi kan upptäcka så många arter bara från vatten?”

Hur blev du involverad i att studera eDNA på Mount Everest för Perpetual Planet-expeditionen?

Paul Mayewski, en högt ansedd klimatforskare och glaciolog vid University of Maine, höll på att sätta ihop en vetenskapsexpedition till Mount Everest, och han bjöd in mig. Han frågade mig: "Varför lägger du inte ihop några idéer om vad du skulle vilja göra där?" Min tanke var: "Om vi ​​vill ta reda på vad livet på högsta höjd är, kan vi använda eDNA för att bedöma den biologiska mångfalden på Mount Everest?"

Ingen visste mycket om den biologiska mångfalden vid den tidpunkten eftersom det är väldigt svårt att arbeta på de höga höjderna. Luften är tunn. Man tröttnar väldigt snabbt. När stormar blåser in, ibland måste du GPS dig tillbaka till tältet på grund av de fulla whiteout-förhållandena.

Jag var intresserad av att se om eDNA kunde vara ett mycket enklare sätt. Vi kan samla in vattenprover, filtrera dem på plats, ta med de filtren med det fångade DNA:t tillbaka till labbet och sedan bara använda DNA för att bedöma vad som finns där.

Så du gick till Everest och samlade prover på det sättet. Senare, hur analyserade du dessa DNA-prover?

Vi bröt ner data med två olika tekniker, helgenom hagelgevärssekvensering och metabarcoding. Sedan använde vi fyra olika bioinformatikpipelines för att analysera data och bestämma vilka organismer vi hade upptäckt.

Nu när vi har gjort det på Everest skulle jag älska att åka tillbaka och göra det i Peru.

Vilka var dina viktigaste takeaways angående eDNA du samlade in på Mount Everest?

Det finns en otrolig mängd biologisk mångfald där uppe. Vi kunde hitta 187 taxonomiska ordningar från hela livets träd: virus, bakterier, svampar, växter och djur. Nästan en sjättedel av alla kända taxonomiska ordningar kunde hittas på detta ena berg över 4,500 3 meter. Terräng på den höjden och däröver utgör endast XNUMX % av den globala landmassan.

Förhoppningsvis, när fler människor samlar in DNA-data, kommer vi att kunna analysera sekvenserna på nytt och få identifieringarna ner mer till nivån av släkt och art. En del av data kunde vi redan göra det med, vilket var bra. Till exempel, från DNA i prover av scat, hittade vi det första beviset på att Pallas katt (Otocolobus manul), en sällsynt art av vilda kattdjur, lever i östra Nepal. Det var spännande. Men för närvarande finns det bara väldigt få referenssekvenser från Everest att jämföra data med, och det är vad du behöver för att identifiera något.

Fanns det andra begränsningar för studien?

Säker. Vår studie är bara en ögonblicksbild av mångfalden under flera veckor i april och maj 2019. Vi var begränsade till det fönstret eftersom expeditionen som vi var en del av innehöll projekt som var knutna till klättersäsongen och när sherpas kunde sätta upp rep för att få människor upp och tillbaka på ett säkert sätt.

Vår provtagning var också begränsad eftersom tjällossningen kom väldigt sent det året. Från satellitbilder under tidigare år förväntade vi oss att sjöarna på Mount Everest skulle vara helt upptinade när vi kom dit, men flera av dem var fortfarande frusna. Vi var tvungna att hacka oss in i isen för att prova vattnet under den.

Om vi ​​hade flyttat insamlingen med ett par månader, kunde vi ha samlat in ännu mer DNA, och skulle den biologiska mångfalden vara ännu högre? Kanske, men vi hade inte lyxen att vänta. Ändå är mängden data vi tog ut därifrån under den tiden häpnadsväckande.

Det skulle vara fantastiskt att titta på hur miljön förändras säsongsmässigt under ett år, och sedan gå tillbaka vart femte år för att se hur det förändras över tiden. Några av de organismer vi identifierade fungerar som indikatorarter för klimatförändringar och andra miljöpåfrestningar.

Varför är det viktigt att göra bioanalyser på platser som Himalaya? Dessa extrema miljöer är en relativt liten del av världen. Varför räcker det inte att bara samla in eDNA från mer tillgängliga platser?

Vi hade två mål i åtanke att gå upp dit. Först ville vi svara på frågor som: Vad är livet på den högsta höjden? Vilka arter lever där uppe? Vilka organismer kan tolerera det vi kallar extrema miljöer?

Det är viktigt att veta bara ur ett biologiskt perspektiv. Till exempel, några av de organismer vi hittade där uppe är tardigrader och hjuldjur. Dessa organismer kan leva i stort sett var som helst, inklusive mycket hårda och extrema miljöer. Tardigrader kan till och med överleva utrymmets vakuum.

För det andra är högbergsmiljöer platser där du kan leta efter förändringar som sker i mycket snabbare takt än vad som sker längre ner. Vanligtvis kan små störningar i de extrema miljöerna där uppe tvinga fram stora förändringar i de områden eller territorier som dessa organismer kan ockupera. Vi ville förstå konsekvenserna av dessa förändringar.

Ett bra exempel är vad vi har lärt oss i bergen i Cordillera Vilcanota i södra Peru nära Sibinacochasjön. Genom studier under ett par decennier fann vi att amfibier har utökat sitt utbredningsområde uppåt till terräng som nyligen har avglacierats. Nya dammar har bildats bakom de vikande glaciärerna. Det har öppnat nya livsmiljöer som arten kan migrera uppåt till och ockupera.

Men det är inte bara groddjuren. Vi ser också insekter, växter och andra organismer flytta in i dessa dammområden. I bergsområden reser sig hela biosfären som svar på klimatförändringarna, som vi har dokumenterat i de peruanska Anderna.

Frågan blir också: Kan vi mäta hur snabbt dessa rika förändringstakten sker? Vi upptäcker att groddjur rör sig mycket baserat på tillgången på livsmiljöer. När en damm bildas kommer de att flytta in i den, men till slut matas den inte längre av glaciären. När det torkar flyttar groddjuren till nästa damm. Det är en mycket dynamisk, snabbt föränderlig miljö.

Everest-studien är ett utmärkt sätt att fastställa baslinjedata för att dokumentera dessa förändringar. Eftersom arterna där uppe lever i tuffa miljöer är de mer benägna att ändra sitt beteende.

Är eDNA ett lika användbart verktyg i mindre extrema miljöer?

Jag tänker aldrig på eDNA som det primära verktyget. eDNA bör användas i kombination med andra sätt att övervaka biologisk mångfald. Då kan vi titta på eDNA-data mer holistiskt och i ett sammanhang.

Till exempel samlade jag scat-prover och vi gjorde visuella mötesundersökningar medan vi var på Mount Everest. Vi hittade snöleopardspår i nyfallen snö där uppe, men vi fick ingen snöleopard i vårt eDNA-prov. Det var något vi missade.

Grejen med eDNA är att även om det kan vara otroligt informativt om mycket av det som finns i en miljö så kan du inte utesluta det som inte finns i din data. Eftersom du alltid är begränsad av känsligheten i din upptäckt.

Låt oss säga att vi tar 20 vattenprover från en sjö, och bara ett prov blir positivt för sköldpaddan. Om vi ​​bara hade tagit 10 prover hade vi kanske missat sköldpaddorna där inne. Så med eDNA måste dina tolkningar av data alltid baseras på samplingsstrategin. När du applicerar eDNA på något som bioövervakning för förändringar över tid, är det bra att först känna till ekologin i ditt system och sedan komma ihåg alla varningar.

Vilka är några av dessa varningar?

Bara för att du upptäcker DNA betyder det inte nödvändigtvis att du samlar in det från en levande organism. Det kan vara från en död organism som tappar eDNA. Om du rör upp botten av en vattenmassa, kanske du rör upp gammalt DNA. Du måste verkligen tänka på frågorna du vill svara på och om eDNA kommer att svara på dem.

Du måste också komma ihåg hur snabbt eDNA bryts ned, beroende på temperaturen eller förhållandena för ultraviolett ljus. Så många saker kan minska halveringstiden för ditt eDNA, och du måste ta hänsyn till dem alla när du utformar en studie. Det kan vara ganska komplicerat.

Förutom dina studier av biologisk mångfald använder du också eDNA för att identifiera arter i handeln med vilda djur.

Ja. Ett av våra projekt var att utveckla ett DNA-test som kunde identifiera alla stora kattarter som handlas i den illegala benhandeln. Alla delar av tigern används i handeln med vilda djur. Vi ville utveckla ett test som skulle möjliggöra bättre förhandsgranskning vid konfiskeringsställen eller inresepunkter till länder. Ett verktyg som skulle vara väldigt lätt att använda, så att du kunde sätta upp ett bärbart labb och skärm för ben som kan komma in genom människors bagage eller paket. Något som snabbt skulle kunna se om ett prov är från en stor kattart, och därför skulle kunna regleras, så att det sedan kunde skickas för bekräftande rättsmedicinsk undersökning.

En pilotversion prövas i Kina och här i USA. Tanken är att använda den som ett screeningverktyg som kan hjälpa brottsbekämpande myndigheter att slå ner den illegala handeln.

Du ledde ett långsiktigt övervakningsinitiativ i Peru som är fokuserat på amfibiesvampen chytrid, som ses förstöra många amfibiepopulationer runt om i världen. Hur påverkar den svampen groddjur?

Svampen angriper huden på sårbara arter. En infekterad groda utvecklar sedan hyperkeratos, en förtjockning av keratinskiktet i huden som hindrar vatten och syre från att absorberas. Så dess elektrolyter blir farligt obalanserade och det tar av huden. Grodorna får så småningom hjärtstillestånd.

Det kan vara förödande för vissa arter, men andra verkar vara mycket mer motståndskraftiga mot det. Det finns många komplexa frågor om patogeniciteten hos olika svampstammar. Det är ett stort fält.

Vi har studerat vilka grodor som blir infekterade av chytridsvamp och sedan, medan de hanterar det, hur de också anpassar sig till effekterna av det värmande klimatet.

Vad har du hittat?

Vi har kunnat visa att när grodorna avancerar uppåt och utökar sitt utbud, tar de med sig svampen. Några av grodor som vi hittade nära toppen av passet, på 5,300 XNUMX meters höjd, har varit chytrid-positiva. När vi forskare går ut på fältet tar vi en hel del försiktighetsåtgärder för att spraya våra stövlar med alkohol så att vi inte sprider svampen runt.

I Anderna såg vi försvinnandet av en art, den marmorerade vattengrodan, Telmatobius marmoratus. Efter 2005 kraschade befolkningen. Vi kunde inte hitta dem på någon av webbplatserna som vi provade i flera år. Men 2013 verkade de komma tillbaka. De blir mer resistenta mot svampen. Det finns hopp om att de kommer att klara sig ganska bra när de fortsätter att anpassa sig till den snabbt föränderliga miljön där uppe.

Har du en favoritplats för fältarbete?

Min favorit kommer alltid att vara Lake Sibinacocha i Peru. Du har flamingos som flyger över glaciärer och andinska kolibrier som fladdrar runt dig. Grodor och vicuña. Det är bara fantastiskt vackert och otroligt biologisk mångfald för en så hög bergsmiljö.

Hur upptäckte du två nya tarantellaarter?

Det är förvånande, jag vet, för jag är en araknofob!

Medan vi bläddrade över stenar i Peru och letade efter grodor, såg jag en liten luddig rumpa som stack upp ur ett hål. jag tittade på Bronwen Konecky, en dåvarande student och samarbetspartner som jag arbetade med, och sa: "Kan du fånga det?" Hon gjorde.

Vi tog många foton och visade dem för en expert tarantula taxonom som sa: "Det ser ut som att du kan ha en ny art. På något sätt kan du samla några hanar och honor?”

Vad hände sedan?

Jag var tvungen att gå tillbaka. Den gången var det bara jag med en lång tång som sträckte mig ner i hålen. Jag skulle försöka fiska ut tarantellerna väldigt försiktigt och nästan svimma av adrenalinöverbelastning.

De större exemplaren hjälpte vårt hästteam att samla in. Vi deponerade de nya exemplaren i Lima och begärde att de skulle skickas ut för taxonomisk utvärdering. Cirka 10 år senare analyserades de slutligen och resultaten publicerades. Ibland tar det lång tid, men vetenskapen kommer ut.

Var hoppas du kunna forska härnäst? Några drömplatser?

Jag skulle älska att arbeta mer i Himalaya. Jag bara älskar högfjällsmiljöer. Lägg mig i en så är jag glad. Jag älskar att hoppa från sten till sten, vända på saker och leta efter varelser. Min favorit sak att göra är att vända stenar och se vad som finns under dem.

På fritiden har du fotograferat och studerat svåra stormar. Berätta om det.

Det är min hobby. Min make, Anton Seimon, är den vetenskapliga ledningen för ett forskarteam för tornado. Han har varit involverad i tornadoforskning i tre decennier, och jag har stormjagat med honom sedan vi träffades, så i 20 år.

Varje år mellan maj och juni packar vi vår skåpbil och vår jakthund Chase, och vi går ut på Great Plains för att följa svåra stormar. Vi riktar oss i allmänhet mot stormar i områden där det sannolikt kommer att bli väldigt lite förstörelse, där vi kan få oavbruten utsikt över dessa stormar. Men även om vi inte ser stormar är jag helt nöjd med att fotografera vilda djur och vilda blommor. Att fördjupa mig i naturen, som när jag går ut på fältet, är min favoritsak att göra.