Dự đoán sự bùng phát ký sinh trùng trong các trang trại cá bằng cách phân tích mẫu DNA

Nghiên cứu nuôi cá chẽm Úc đã chứng minh tiềm năng của công cụ mới

Phương pháp định lượng môi trường DNA từ mầm bệnh cung cấp cho các nhà quản lý sản xuất nuôi trồng thủy sản và các chuyên gia y tế một công cụ mới và hiệu quả để đánh giá nguy cơ bùng phát dịch bệnh. 

Dịch bệnh là một trong những trở ngại và tác động lớn đến sự tăng trưởng của ngành nuôi trồng thủy sản trong tương lai. Bệnh gây ra khoảng 40% thiệt hại sản xuất trong nuôi trồng thủy sản (102 tỷ USD). Do đó, cần có những cách tiếp cận sáng tạo để phát hiện sớm và quản lý dịch bệnh ở các trang trại nuôi thuỷ sản. Môi trường DNA (eDNA) là một phương pháp lấy mẫu liên kết với các kỹ thuật phân tử cho phép phát hiện vật liệu di truyền của bất kỳ sinh vật hoặc vi sinh vật nào có mặt trong môi trường. Kỹ thuật này có khả năng cách mạng hóa cách thức phát hiện và theo dõi tác nhân gây bệnh trong nuôi trồng thủy sản.

Mẫu DNA môi trường là một giải pháp thay thế cho việc lấy mẫu và định lượng mầm bệnh bằng cách thu thập các mẫu nước hoặc đất từ hệ thống nuôi trồng thủy sản. Tuy chẩn đoán truyền thống (ví dụ như mô bệnh học, vi sinh vật học, PCR) vẫn là phương pháp chuẩn để xác định tác nhân gây bệnh truyền nhiễm ở động vật nhưng kỹ thuật này lại tốn thời gian. Trước đó, nông dân đã có được kết quả từ các xét nghiệm chẩn đoán truyền thống để kiểm soát dịch bệnh. Cách tiếp cận mẫu DNA cung cấp cơ hội để cải thiện việc theo dõi sức khỏe động vật bằng cách phát hiện mầm bệnh trong hệ thống nuôi trồng thủy sản trước khi động vật bị nhiễm bệnh.

Trong số các tác nhân gây bệnh ảnh hưởng đến ngành nuôi trồng thủy sản, các sinh vật đơn bào có lông tơ được coi là một số ký sinh trùng quan trọng nhất của cá vây về mặt kinh tế. Nhìn chung, sự bùng phát ký sinh trùng lông tơ phát triển nhanh chóng đến mức không xuất hiện bất kỳ dấu hiệu nào và giết cá rất nhanh. Chilodonella hexasticha là một loại ký sinh trùng có lông tơ phổ biến được tìm thấy trong các hệ thống cá vây nước ngọt, có thể xuất hiện ở các giai đoạn ký sinh và sống tự do, làm cá chết trong vòng 2-3 ngày. Phương pháp eDNA đã được thử nghiệm để phát hiện sớm và định lượng mầm bệnh trong trang trại cá chẽm hoặc cá chẽm châu Á (Lates calcarifer) từ việc sử dụng C. hexasticha làm sinh vật mẫu.

Lưu ý: Bài viết này được điều chỉnh và tóm tắt từ ấn bản gốc (Nuôi trồng thủy sản 479, 2017).

Nghiên cứu trường hợp cá chẽm: lấy mẫu và xử lý phòng thí nghiệm

Các mẫu nước từ tám ao đất (~ 1,4 ha) của một trang trại nuôi cá chẽm nước ngọt thương mại ở Úc được thu thập hàng tháng trong vòng một năm. Thu thập ba phần 15 mL mẫu nước ao tương ứng bằng cách sử dụng các cốc nhựa riêng, đổ vào 50 ống ly tâm chứa 1,5 mL natri axetat (3 M) và 33,5 mL ethanol để bảo quản DNA. Các mẫu được giữ lạnh cho đến khi đem xử lý trong phòng thí nghiệm.

Mẫu được xử lý bằng phương pháp kết tủa và chiết xuất eDNA trực tiếp, nơi vật liệu di truyền được chiết xuất bằng cách sử dụng giao thức chiết CTAB. Các tế bào ký sinh trùng lông tơ từ cá chẽm bị nhiễm bệnh được thu thập trong cùng thời gian để xác định loài và xác nhận xét nghiệm PCR định lượng (qPCR). Xét nghiệm qPCR được áp dụng để xác định sự đa dạng C. hexasticha (tế bào bản sao / µl) trong các mẫu nước dựa trên gen SSU-rDNA. Hình 1 thể hiện sơ đồ quá trình thu thập mẫu, từ thu thập mẫu nước trong trang trại đến xử lý trong phòng thí nghiệm phân tử.

Hình 1: Sơ đồ thực hiện (từ A đến F) của phương pháp eDNA đối với quá trình thu thập nước từ ao cá chẽm (Lates calcarifer) (A) đến phân tích qPCR (D, E, F) trong phòng thí nghiệm phân tử tại Đại học James Cook.

Ngoài ra, dữ liệu về môi trường và sinh học trên trang trại (oxy hòa tan, nhiệt độ, lượng mưa, trọng lượng cá và tỷ lệ chết) được kết hợp với sự phát triển của các tế bào bản sao C. hexasticha / µl (eDNA) trong nước. Mối quan hệ giữa các thông số chất lượng nước và sự phát triển của ký sinh trùng được kiểm tra bằng nhiệt độ nước tối đa trung bình, mức oxy hòa tan tối thiểu và lượng mưa trong thời gian 5 ngày liên tiếp trước khi lấy mẫu nước cho mỗi ao. Tương tự như vậy, mối quan hệ giữa sự phát triển của ký sinh trùng trong nước và tỷ lệ cá chết được kiểm tra bằng cách sử dụng số lượng cá chết trung bình trong khoảng thời gian 5 ngày sau khi lấy mẫu nước trong mỗi ao.

Các phân tích được thực hiện thông qua hồi quy tuyến tính và tương quan để dự đoán tỷ lệ cá chết trong 5 ngày sau khi lấy mẫu bằng cách sử dụng các biến đo được (ví dụ: C. hexasticha (eDNA), lượng mưa, oxy hòa tan, nhiệt độ nước và trọng lượng cá) nhằm đánh giá liệu các biến môi trường có thể dự đoán sự phát triển của C. hexasticha trong các mẫu nước hay không. Ngoài ra, phân tích thành phần chính (PCA) được sử dụng để xác định mối liên hệ giữa các biến quan sát được và sự sản sinh của các tế bào ký sinh trùng trong nước ao.

Kết quả và thảo luận

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp tiếp cận eDNA để định lượng sự phong phú của ký sinh trùng lông tơ C. hexasticha (eDNA) trong nước từ một trang trại thương mại cũng như khám phá mối quan hệ của nó với chất lượng nước và dữ liệu sản xuất. Mối liên quan tỷ lệ thuận giữa sự sinh sôi của C. hexasticha trong nước ao (eDNA) và số lượng cá chết (vòng tròn màu đỏ; góc tư I; Hình 2), có liên quan tỷ lệ nghịch với trọng lượng cá (góc tư III; Hình 2) và hàm lượng oxy hòa tan (góc tư IV; Hình 2). Điều này được khẳng định thêm bởi mối tương quan tỷ lệ thuận giữa sự sinh sôi của ký sinh trùng trong nước ao nuôi (eDNA) và tỷ lệ cá chết nhưng tỷ lệ nghịch với kích thước cá. Tỷ lệ cá chết cũng tỷ lệ thuận với nước ấm hơn. Nói cách khác, trong trang trại nghiên cứu, cá chẽm nhỏ bị ảnh hưởng đặc biệt bởi lượng ký sinh trùng lông tơ trong nước cao và tỷ lệ chết xảy ra vào mùa mưa và mùa ấm.

Hình 2: Phân tích thành phần chính (PCA), cho thấy mối quan hệ giữa: sự phong phú của C. hexasticha trong nước ao nuôi cá chẽm (eDNA), tỷ lệ cá chết, trọng lượng, lượng mưa, oxy hòa tan và nhiệt độ trung bình cho các ao lấy mẫu trong giai đoạn 2013/14. Nhiệt độ nước và ôxy hòa tan trung bình được theo dõi 5 ngày trước khi thu thập eDNA. Tỷ lệ cá chết trung bình đã được ghi lại năm ngày sau khi thu thập eDNA.

Thật thú vị, có một sự đồng bộ giữa tế bào C. hexasticha sản sinh trong nước (eDNA) và tỷ lệ cá chết được quan sát 5 ngày sau khi lấy mẫu (Hình 3). Các mẫu từ nhiều tháng có lượng ký sinh trùng cao trong nước (eDNA) cũng là những tháng có tỷ lệ cá chết cao hơn (Hình 3). Sự sinh sôi của các tế bào C. hexasticha trong nước và trọng lượng cá là những yếu tố chính dự báo về tỷ lệ cá chết, trong khi lượng mưa và trọng lượng cá thấp hơn liên quan đến sự sinh sôi của các tế bào C. hexasticha trong nước.

Mẫu DNA môi trường là một cách tiếp cận hiệu quả nhằm dự đoán tỷ lệ cá chết, đặc biệt khi kết hợp với các thông số môi trường được ghi lại trên trang trại. Do thực tế là tỷ lệ cá chết thường xảy ra ở các trang trại mà không có sự cảnh báo trước nên việc định lượng ADN ký sinh từ mẫu nước cung cấp cho người quản lý sản xuất và chuyên gia y tế một công cụ hiệu quả mới nhằm đánh giá nguy cơ bùng phát dịch bệnh trong tương lai.

Hình 3: Các thông số môi trường và sinh học từ trại nuôi cá chẽm Úc thu thập từ 2013/14; C. hexasticha phát triển trong nước (eDNA) và tỷ lệ cá chết trung bình.

Tuy phương pháp tiếp cận eDNA để theo dõi mầm bệnh trong nuôi trồng thủy sản là một lĩnh vực nghiên cứu mới nhưng tiềm năng của nó vẫn chưa được khám phá trong điều kiện thương mại. Các phương pháp tiếp cận DNA môi trường có thể được sử dụng như một kỹ thuật lấy mẫu mầm bệnh nhằm giảm thiểu stress và cải thiện an toàn động vật trong các hoạt động kinh doanh nuôi trồng thủy sản.

Những hiểu biết về sự đa dạng của các cộng đồng vi sinh trong hệ thống nuôi trồng thủy sản vẫn còn hạn chế nhưng eDNA đại diện một nền tảng mới cho ngành công nghiệp để khám phá những bí mật dưới nước. Chẳng hạn trong lĩnh vực sức khỏe động vật thủy sản, eDNA cung cấp kiến thức về sự sinh sôi và đồng nhiễm của các tác nhân gây bệnh trong hệ thống nuôi. Sử dụng các kỹ thuật sắp xếp chuỗi thông lượng cao và thế hệ tiếp theo, một thử nghiệm đơn lẻ có thể được phát triển để xác định sự hiện diện và phát triển của nhiều cộng đồng thủy sinh trong các trang trại và trại sản xuất giống.

Cuối cùng, eDNA có thể dễ dàng thực hiện trên trang trại với việc sử dụng các thiết bị di động và được tích hợp vào các chương trình giám sát hàng ngày như một công cụ hiệu quả nhằm đánh giá nguy cơ bùng phát dịch bệnh trong tương lai, do đó cho phép nông dân nuôi cá kịp thời áp dụng các chiến lược can thiệp sớm.