环境DNA技术及其应用.pdf

第4期2023年8 月他山之石水利信息化Water Resources Informatization环境DNA技术及其应用NO.4Aug.2023近年来，人类活动影响导致水生态系统遭到破坏，水生生物多样性锐减，水生态功能严重退化并影响人类健康。而生物多样性是维持生态平衡的基础，因此，对水生生物进行监测是开展水生态环境管理和保护的前提。目前，传统的水生态研究主要依赖形态学生物监测，以及通过直接观察、显微镜和生物声学收集数据。然而传统形态学生物监测存在费时费力、成本高、物种分辨度低等诸多缺陷，无法在流域开展大规模、高频率的水生态监测。因此，迫切需要更加便捷且准确可靠的水生态监测技术，对保护水生态环境生物多样性具有重要意义。环境DNA（e D NA）技术是近年来国际生态学领域最重要的革命性技术，是一种基于分子的生物多样性高效监测手段，在生态环境修复和自然资源保护方面具有极大的应用潜力，已逐渐在欧美等发达国家快速推广。1eDNA技术简介及优势eDNA技术是指通过从环境介质（水、土壤、沉积物等）中提取DNA，对基因组的特定DNA片段进行PCR（聚合酶链式反应技术)扩增和高通量测序，从而对环境样品中多生物群落进行监测的技术。该技术基本操作流程主要包括环境样品采集、DNA提取、DNA高通量测序、生物信息学和多样性分析等环节，基本操作流程图如图1所示。与传统形态学生物监测方法相比，eDNA生物监测具有采样简单、效率高、对生物和环境破坏性小、样本检测灵敏度高、成本低等核心优势，已广泛用于河流、湖泊、河口、湿地、海洋等各类生态系统的生物多样性调查中。2eDNA在生态与保护中的应用研究在基于eDNA技术的研究中，最受关注的技术是条形码和宏条形码技术，两者最大的区别在于条形码技术采用物种特异性检测环境样本中单个物种的DNA片段，而宏条形码技术是对eDNA特定区域进行扩增，并通过高通量测序同时实现对自然生态系统中数以万计的生物群落DNA序列的识别。对于eDNA条形码技术,PCR技术用于检测物种的存在，而定量PCR（q PC R）技术通过检测物种DNA浓度反映物种相对丰度或提高物种检测的灵敏度。eDNA条形码技术对检测入侵和珍稀物种尤其有效，即使是难以进入的栖息地，采用该方法也能绘制物种资源分布情况，从而制定有效的管理策略。eDNA宏条形码技术已成功用于过去与现在生物多样性识别、水生态系统健康监测等方面。2.1外来物种入侵、珍稀及濒危物种监测采用传统的技术方法检测和监测珍稀、入侵或濒危物种是一项艰巨的任务，常常需要花费大量的时间和精力，而且，使用传统调查方法进行重复采样是昂贵的，还可能对目标生物物种或栖息地造成无法弥补的伤害。eDNA分析技术为这类物种提供了一种经济有效的非侵入性监测方式，多用于水生生物的监测。在确定入侵物种分布及危害程度方面，使用eDNA技术的监测效率往往很高，近年来已用于农业外来有害昆虫的入侵监测。还有一些研究评估了eDNA技术方法和传统调查方法在监测珍稀、入侵和濒危物种方面的效率，并证明eDNA技术方法在监测采水样提取环境DNA图1eDNA技术基本操作流程图高通量测序群落物种多样性98目标物种的准确性和可靠性方面相对优于或与传统调查方法相当。然而，大多数基于eDNA技术的研究都集中在水生分类群，尤其是鱼类和两栖动物，而对陆地环境中其他类群的研究较少。2.2生物量估算尽管野生物种数量的减少已经引起全球日益关注，但某些物种种群动态监测仍然是一个挑战，部分原因是它们的地理分布存在很大的不确定性，还存在对它们的生活方式了解有限，它们生命历史的复杂性及研究方法的局限性等方面的原因。eDNA分析技术采用高效、灵敏和标准化方法在大尺度和长时间跨度上提高了野生物种分布和丰富度监测。2.3生态系统健康监测生物入侵、害虫和疾病是全球生物多样性面临的最严重威胁之一，并对环境、经济和公共卫生造成不利影响，因此，迫切需要制定有效的监测和管理措施，以遇制有害生物的传播和建立。然而，这些努力受限于有效识别检测生物威胁的能力，尤其是当这些有害生物种群处于低密度时。eDNA技术已被证明是一种非常有效和灵敏的采样方法，能够通过早期检测、传播模式分析、种群动态评估监测有害生物的传播和建立。2.4生物多样性监测由于缺乏关于过去与现在物种发生、分布、丰度、栖息地要求和威胁的基本信息，面对日益增长的人类压力，保护生物多样性是件棘手的事。获得这些信息需要高效灵敏的采样方法，能够检测识别和量化真实的生物多样性，尤其在有很多隐蔽和未描述物种存在的超级多元化地区。eDNA技术克服了传统生物检测识别方法的局限性，提高了监测过去与现在生物多样性的能力，且鉴定结果中的物种丰度较传统形态学监测更高。现在，评估不同群落的生物多样性并同时推断广泛分类群的多样性和组合模式是可能的且是经济合算的。本文编译自 Applications of environmental DNA(eDNA)in ecology and conservation:opportunities,challenges and prospects,发表于期刊Biodiversity and Conservation，原文作者为Kingsly C.Beng，Ri c h a r d T.C o r l e t t。(编译：张利茹责任编辑：陆燕)水利信息化3eDNA的挑战性和局限性尽管eDNA技术已经在外来物种入侵、珍稀及濒危物种监测、生物多样性保护、生态监测领域/流域生态健康状况评估及流域内生物群落的季节性变化（水华、赤潮等监测与预警）等方面发挥了重要的作用，但也担心此项技术并不完全受益于作为生态和保护倡议独立技术来宣传的做法。因此，要特别强调，如果不能完全认识到eDNA技术存在的问题和不足，采用eDNA技术区分eDNA检测和物种检测或者量化生物丰度和生物量仍具有挑战性。eDNA技术相对于传统方法也存在一些问题，如不能直接获得物种的发育时期、性别比例等信息，且不能区分物种的死亡个体。而且由于eDNA的灵敏性，取样时容易受到外界环境污染或者样本间交叉污染。此外，eDNA的样本采集、提取和检测容易存在人为误差，因此应明确和细化样品采集和DNA提取等技术规范，制定通用的eDNA技术标准化操作流程对eDNA的应用研究也是十分必要的。4建议eDNA技术和传统生物监测方法通常不应被视为是评估和监测生物多样性的替代方法，因为他们能提供不同的信息。来自eDNA技术的分析结论通常需要借助传统生物监测方法进行验证，而eDNA技术的监测结果也可以引导传统生物监测朝着正确的方向发展。因此，建议今后研究中将eDNA技术和传统生物监测方法结合应用，相辅相成，取长补短，为水生态物种监测提供更加可靠的技术支持。另外，随着遥感解译、机器学习、云服务等新技术的发展，基于高通量测序的eDNA技术与这些跨学科新技术耦合，可实现智能化监测。我们相信，在未来，eDNA技术一定会成为生态领域最主要的监测方法之一。2023(4)