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环境DNA(eDNA)技术介绍

eDNA水生物种调查采样设备 (4).jpg

环境DNA(eDNA)技术是什么?是怎么采集分析的



你知道吗?无需长期监测,只需从海中舀一杯水,从土壤中挖一抔土,从沉积物中分离一管淤泥等等,就能知道有哪些物种曾在附近出没。这到底是如何实现的呢?



eDNA技术的起源与发展



环境DNA(eDNA)是生物与环境互作遗留的DNA,可能来源有生物脱落的组织、分泌物、排泄物、血液和尸体等,分布在土壤、沉积物和自然水体等环境中,是生物完整和片段化DNA的混合物。环境样品中通常含有动植物脱落的细胞或者是游离的DNA,生物排泄过程中脱落的皮肤,尿液和粪便等也可以是“环境DNA”的来源,并能提供一个环境系统中物种的存在记录。

环境DNA技术:环境DNA的高通量生物监测技术通过从环境介质(水、土壤、沉积物等)中提取DNA,对基因组的特定DNA片段进行PCR扩增和高通量测序,从而实现对生物群落的定性、定量分析。


环境DNA(eDNA)技术是什么?是怎么采集分析的(图1)


eDNA技术的研究特点


1、eDNA可作为时间生态数据的来源

生态群落在时间和空间上发生变化,在百年到千年规模的长期动态记录很少。时间数据是单向的(环境变化必须在其影响可见之前发生),它们提供了一些识别与环境变化和生态动态相关的因果关系的最佳方法。越来越多的研究认为eDNA可能是一个主要的,但迄今未充分利用的时空生物多样性数据的来源(下图)。

通过提供关于当前(图上)和过去(图下)几个世纪甚至几千年之间生物多样性模式的连续数据,eDNA可以告知关于(i)单一物种动态的假设检验,例如殖民化或灭绝;(ii)群落动态,例如群落构成和丰度变化;(iii)人类对生态系统的压力,例如工业或农业的影响。

环境DNA(eDNA)技术是什么?是怎么采集分析的(图2)


图1 eDNA应用范围


2、时间生物多样性数据的来源比较

目前生态学家多使用以下时间生物多样性数据数据来源,都存在一定的局限性。
(1)长期监测
长期计划的例子包括北大西洋(自1931年以来)的连续浮游生物记录器调查和美国的圣诞鸟计数(自1900年以来)。这些数据是异质的,在分类学上有很强的偏见。由于生物多样性的许多候选驱动因素(如污染和栖息地变化)在十年时间尺度上是共线的,限制了我们识别生态变化原因的能力。
(2)历史文件和”遗产“数据
收集几个世纪以来的各种定量生物多样性数据,提供了历史生态群落的快照,可用于评估过去和现在之间的变化。但是,这些数据仅适用于有限数量的地点和时间,其价值受到历史和当代数据可比性的不确定性的影响。
(3)古生态学
当代生态学和古生态学数据结合起来,极大扩展了时间生态学的时间跨度。然而,古生态数据受到保存完好和可识别的有机遗骸(如花粉、骨骼和贝壳)的可用性的严重限制。
(4)环境DNA
eDNA可以为更广泛的物种和更广泛的地理环境提供长期生物多样性的连续时间数据。eDNA数据填补了古生态学和古生物学、现代研究的荟萃分析和长期实验之间的空白。它可用于测试需要长时间尺度和广泛分类范围的生态理论、假设和模型。这有助于更深入地了解作为关键生态系统过程和服务基础的生物多样性动态。


环境DNA(eDNA)技术是什么?是怎么采集分析的(图3)


图2 eDNA应用到大范围尺度



eDNA应用和前景



(1)单个物种动力学



eDNA可以提供关于物种出现的空间模式变化的新数据来源,甚至可能显示随时间变化的相对丰度,但研究过程中仍然存在很多挑战。


环境DNA(eDNA)技术是什么?是怎么采集分析的(图4)


(2)群落动态



eDNA采样通常提供有关多个分类群的同步信息,因此对于群落动态问题特别有价值。eDNA研究为历史环境变化提供了证据,推动了群落构成的变化。研究捕食者-猎物、共生关系以及对其他生物相互作用等,例如eDNA有望通过时间表征食物网结构的变化。



(3)人类对生态系统的压力



研究已经证明了DNA长期存在的潜力,以研究人类群落环境、农业、畜牧业等等。例如来自加拿大湖泊的时间序列沉积物eDNA被用来检验关于藻类繁殖频率增加的原因。



(4)生态学中的进化动力学



生态时间尺度可能会发生演化,导致选择力、进化响应和生态动力学之间的反馈循环。eDNA可以同时提供生态(发生、丰度、群落组成)和进化(遗传)信息。



(5)生态学中的进化动力学



人类活动对地球影响的研究越来越多地强调生态系统反馈。来自湖泊沉积物中eDNA的功能基因也被用于推断生态系统功能的动态,例如参与氮和磷摄取系统的基因,抗生素和抗污染。




总结:eDNA作为空间和时间生物多样性数据的来源越来越受到关注,可获取环境样本中DNA所属物种的分类学信息和基因功能信息,进而研究不同生态环境中物种的多样性,追溯物种来源、发展以及变化。环境DNA检测在环境生物多样性调查和特定生物调查方面将发挥越来越大的作用。






参考文献

Environmental DNA Time Series in Ecology. Trends in Ecology & Evolution, 2019.





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