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环境DNA(eDNA)技术介绍
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。
eDNA技术的研究特点
1、eDNA可作为时间生态数据的来源
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。
图1 eDNA应用范围
2、时间生物多样性数据的来源比较
图2 eDNA应用到大范围尺度
(1)单个物种动力学
(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
本文标签:海洋生物