Codage à barres d’échantillons environnementaux par séquençage parallèle de masse
Résultat
Canada faces an ongoing challenge to assess and report on the status of biodiversity at a regional and national scale. This is driven by two linked factors: (1) lack of a consistent methodology to measure biodiversity, particularly in remote habitats and (2) a consequent lack of data observed and recorded in a consistent manner. As a result, Canadians remain uninformed about a key component of their natural resources and, equally important, sustainable economic development in Canada is constrained by a lack of data by which to balance economic benefits against environmental costs in an informed way.
Biodiversity monitoring programs in Canada are focused on the delivery of sound science to regulators for the purpose of timely and accurate reporting on the state of the environment, and to provide assurance to the Canadian public that their natural environment is being protected. Such information is of equal importance and value to industries involved in natural resource extraction (mining, oil & gas), natural resources management (forestry), and agriculture, all of whom benefit – both in terms of home and overseas markets – from the ability to demonstrate that they are following best practices in environmental management and the stewardship on natural resources.
The exploitation of Canada’s North is expanding as technological improvements and rising commodity prices make northern reserves economically attractive. For example, oil sands alone are estimated to be worth ca. $350 billion (5% of Canada’s national capital), yet the loss of environmental goods and services (e.g. carbon sinks, water purification, country foods) associated with their extraction remains unquantified. In this regard, DNA-based biomonitoring offers a rapid, cost-effective and information-rich method of data collection, which can be easily integrated into long-term ecosystem monitoring programs and site-specific inventory and assessment.
Integration of DNA-based taxonomic analysis into Canada’s National Parks system is already underway, where the need to balance change without compromising visitor experience presents a unique challenge for Parks management. Parks managers are keen to extend their management tools to embrace this new technology, providing it can be made more accessible and can provide timely feedback to support management needs.
Environmental barcoding is a democratising technology, in that it makes information available to indigenous people which was previously only obtainable from a small group of experts. The rapid assessment of hunting and fishing areas, habitats for key species at risk such as fish, waterfowl and other game, and for culturally critical species such as caribou would be a significant contribution to their sound and sustainable management.
The need to provide rapid and accurate advice regarding the onset and impacts of a changing climate remain uppermost in the minds of Canadians, as our country is in the front line for climate impacts. The northward spread of southern species is predicted to occur with unforeseen consequences for ecosystem management. DNA-based taxonomy, linked to next generation sequencing is a key technology which promises to deliver data coverage on a scale unprecedented in previous biosurvey approaches, allowing better alignment with other earth observing systems, including satellite observation and geographic information systems – two other areas with strong potential synergy in relation to sustainable management of natural resources, and also two frontier areas where Canada is also an international leader.
In this project we developed an approach for an optimal use of NGS in environmental analysis. In other words, our project sets the stage for moving the powerful NGS tools from basic academic research to the real-world biomonitoring applications. The environmental barcoding technology is now available to Canadian Agencies and academic users as well as wider scientific community and international organizations. Our software pipeline for analysis of environmental barcoding data has been developed as an open-source online system, as was originally planned in our proposal, and is accessible to Canadian and international users freely.
Statut
Concurrence
Centre(s) de génomique
GE3LS
Chef(s) de projet
- Paul Hebert,
- Université de Guelph
Lancement du projet d'exercice financier
Description du projet
Le codage à barres de l’ADN est un tout nouvel exercice en génomique – la collecte de données sur les séquences d’une région d’un gène standard commun chez les eucaryotes. Un segment de 648 paires de bases du cytochrome c oxydase 1 (CO1) mitochondrial a maintenant été choisi comme région de base du code à barres des eucaryotes. L’examen horizontal de la diversité des séquences dans cette région génétique est important dans de nombreux contextes : il permet d’identifier et de découvrir des espèces; il révèle des facteurs qui influencent les rythmes de l’évolution moléculaire et l’âge des espèces; et il permet d’étudier en détail les voies évolutives de la protéine CO1. Pour ces raisons, on planifie actuellement un important programme international de recherche qui vise à étoffer rapidement la bibliothèque de référence des séquences de CO1. Le projet international du codage à barres du vivant (iBOL), un programme quinquennal de 150 millions de dollars dirigé par le Canada, fera intervenir des chercheurs de 25 pays. Pendant cette période, iBOL livrera les codes à barres de 500 000 espèces et les efforts subséquents serviront à produire une bibliothèque de référence des codes à barres de tous les eucaryotes.
Même s’il peut falloir 20 ans pour constituer une bibliothèque de tous les eucaryotes, le codage à barres de l’ADN trouve déjà des applications, car des bibliothèques de codes à barres seront bientôt terminées dans différents groupes. On sait maintenant que l’identification d’espèces constitue un domaine d’application particulièrement important du codage à barres de l’ADN. Il est également évident que ces applications feront intervenir deux courants technologiques différents : analyse au point de contact de spécimens uniques et criblage de masse de codes à barres. Il faudra des appareils d’analyse immédiate à utiliser au point de contact pour identifier des espèces dans divers contextes comme les inspections dans les ports et la lutte contre les insectes ravageurs.
Par contraste, le deuxième volet technologique, au cœur du présent projet, permettra d’analyser des échantillons biotiques mixtes, mais moins rapidement. Nous soulignons que de nombreux eucaryotes sont trop petits, trop nombreux ou trop rapprochés pour qu’on puisse les analyser au moyen des protocoles traditionnels du codage à barres. Nous surmonterons cet obstacle en élaborant les protocoles nécessaires à l’analyse de n’importe quelle collection d’eucaryotes. Nous appelons cette approche « codage à barres d’échantillons environnementaux » et nous sommes convaincus que sa mise en œuvre réside dans le couplage de technologies de séquençage parallèle en masse et de nouveaux outils informatiques. Ces analyses feront certainement progresser la surveillance de la biodiversité.
Il suffit d’imaginer la nouvelle capacité perfectionnée de surveiller la qualité de l’environnement qui devient possible si nous pouvions rapidement obtenir de l’information sur la composition des espèces de tout échantillon environnemental. Les répercussions de nos travaux sont toutefois plus larges – le codage à barres d’échantillons environnementaux représente l’outil métagénomique de la vie eucaryote. Nous recherchons du financement pour mettre au point le codage à barres d’échantillons environnementaux qui constituera un volet technologique que les plateformes de séquençage pourront adopter. Nous utiliserons les nouveaux séquenceurs en parallèle, mais il faudra d’importantes innovations technologiques pour qu’ils puissent prendre en charge le codage à barres d’échantillons environnementaux. Il faudra en particulier de nouveaux outils informatiques pour analyser les données des séquences et de nouveaux protocoles pour récupérer les codes à barres de grands échantillons mixtes. Nous ne prévoyons pas venir à bout de ce défi, mais nous prévoyons que nos travaux démontreront comment le codage à barres d’échantillons environnementaux peut répondre à un besoin réel, à savoir la biosurveillance des eaux intérieures du Canada.
Nous effectuerons ces travaux en étroite collaboration avec des chercheurs d’Environnement Canada qui non seulement mettront à profit leur expérience approfondie des échantillons environnementaux, mais seront également d’importants utilisateurs ultimes de la technologie. Nous collaborerons également avec des collègues du Genome Technology Centre de Stanford qui sont des chefs de file mondiaux dans les technologies de séquençage parallèle de masse. La technologie du codage à barres d’échantillons environnementaux mise au point dans le cadre de ce projet renforcera la position de chef de file du Canada relativement au codage à barres de l’ADN en présentant la première application de cette approche à la surveillance de la biodiversité des communautés eucaryotes.