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環(huán)境DNA分析：捕捉“DNA線索”，讀懂“基因條形碼”

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環(huán)境DNA分析：捕捉“DNA線索”，讀懂“基因條形碼”

環(huán)境DNA分析的發(fā)展，為物種監(jiān)測帶來了新的可能性。

創(chuàng)瞰巴黎 ·

文|創(chuàng)瞰巴黎

導(dǎo)讀

如何盡可能減少對野生動物生活的干擾，同時密切關(guān)注它們種群的變化。環(huán)境DNA（eDNA）分析的發(fā)展，有望解決這一難題。環(huán)境DNA分析，是一種不對目標(biāo)物種造成危害的生物種群監(jiān)測工具。對于加深人類對生物多樣性的理解至關(guān)重要。

一覽：

  • 環(huán)境DNA分析，是一種不對目標(biāo)物種造成危害的生物種群監(jiān)測工具。
  • 環(huán)境DNA分析的原理是將樣本與基因條形碼庫比對，辨別出環(huán)境中存在的某個物種或某類物種。
  • 環(huán)境DNA分析現(xiàn)有四大應(yīng)用：生物多樣性研究、物種跟蹤檢測、種群規(guī)模估算、食性研究。
  • 但環(huán)境DNA能揭示的信息有限，不如直接觀測得到的信息多，且環(huán)境中的DNA容易擴(kuò)散到別處或者被破壞、降解。
  • 改良環(huán)境DNA分析手段，對于加深人類對生物多樣性的理解至關(guān)重要。

地球的生物多樣性面臨著重大危機(jī) [1]。作為人類，我們既要密切關(guān)注野生動物種群的變化，又要盡可能減少對它們生活的干擾——二者看似矛盾，如何兼顧？所幸，隨著環(huán)境DNA（eDNA）分析的發(fā)展，這一難題有望得到解決。

01 利用環(huán)境中的“蛛絲馬跡”監(jiān)測物種

自上世紀(jì)八十年代起，科學(xué)家便開始利用新型測序技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，分析環(huán)境樣本中的基因組，以辨別肉眼不可見的微生物。宏基因組學(xué)（直接研究樣本中所有微生物基因組集合的學(xué)科）應(yīng)運而生。

環(huán)境DNA不僅來自無處不在的微生物。所有生物不論大小，都會留下“蛛絲馬跡”——黏液、死皮、毛發(fā)、尸骨、糞便等。這些物質(zhì)所含的DNA信息可用于物種鑒定。2008年，法國國家科學(xué)研究中心高山生態(tài)學(xué)實驗室驗證了這一理論：學(xué)者們分析了多個水塘中的DNA物質(zhì)，判斷出了牛蛙活動的痕跡[2]。

這意味著環(huán)境DNA分析可作為監(jiān)測大型生物種群的有效工具，在沉積物、海床、甚至空氣中已得到成功應(yīng)用。甚至有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，提取動物園的空氣，分析其中的DNA物質(zhì)，能推斷出動物園內(nèi)外的數(shù)十種物種，這一結(jié)果發(fā)表于2022年初的兩篇學(xué)術(shù)論文中[3, 4]。環(huán)境DNA分析潛力無窮，但也存在一些缺陷。首先，讓我們來了解其原理。

圖片來源：新西蘭漢密爾頓動物園空氣eDNA分析結(jié)果

注：每種顏色對應(yīng)一類物種（黃色為肉類飼料來源物種），圓圈大小代表檢測結(jié)果推算出的種群規(guī)模。

02 解密環(huán)境DNA

分析環(huán)境樣本中的DNA有三種方式。一是全局宏基因組測序：對樣本中所有DNA物質(zhì)進(jìn)行測序，然后試圖辨別已知物種的基因組。全局宏基因組測序適用于微生物研究，因為環(huán)境樣本中的微生物DNA一般都相對完整，且含量較高。相比之下，大型生物的DNA在環(huán)境樣本中含量低，支離破碎，片段長度只有幾十至幾千堿基對，不適合做全局宏基因組測序。

這時，就輪到條形碼技術(shù)登場了?；驐l形碼，指可作為物種標(biāo)記的基因片段。學(xué)者一般會選擇較短的片段作為條形碼，便于與環(huán)境中天然存在的破碎DNA匹配。樣本里與已知條形碼匹配的片段通過PCR擴(kuò)增，便可進(jìn)一步研究分析。條形碼的定義可精準(zhǔn)（指向一個物種）、可粗略（指向親緣關(guān)系較近的多個物種）；可監(jiān)測具體物種，亦可統(tǒng)計一個區(qū)域的物種組成，前者稱為條形碼技術(shù)，后者稱為宏條形碼技術(shù)（一種具有針對性的宏基因組學(xué)手段）。

條碼匹配鑒定，需使用已知物種的條形碼數(shù)據(jù)庫。不同細(xì)分領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫有大有小，由此便引出環(huán)境DNA分析的一個局限性：有效的分析必須基于內(nèi)容豐富的數(shù)據(jù)庫。不過，隨著學(xué)界收集的數(shù)據(jù)越來越多，這一障礙未來有望逐漸化解。

03 環(huán)境DNA分析的優(yōu)劣勢

環(huán)境DNA分析現(xiàn)有四大應(yīng)用：生物多樣性研究（對一個區(qū)域的物種進(jìn)行類別統(tǒng)計、長期監(jiān)測、生理機(jī)能分析等[5]）、物種跟蹤檢測（針對瀕危物種、入侵物種、環(huán)境健康指示物種 [6]）、種群規(guī)模估算、食性研究（通過分析糞便中的DNA [7]）。

在海底沉積物中、極寒條件下，環(huán)境DNA可以保存成千上萬年，蘊含古生物的奧秘。在阿拉斯加的布里斯托灣，研究者從環(huán)境中提取單細(xì)胞生物DNA，可追溯到1400年前，還能從其變遷看出二戰(zhàn)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對環(huán)境的影響[8]。2022年12月初，研究者利用從格林蘭永凍層采集的eDNA樣本，重塑了200萬年前的古生態(tài)系統(tǒng)，一舉打破了記錄[9]。

研究現(xiàn)代生物，環(huán)境DNA分析同樣能派上大用場。環(huán)境DNA采集步驟十分簡單，對環(huán)境不造成任何侵?jǐn)_，無需復(fù)雜設(shè)備或培訓(xùn)，可用于難以直接觀測種群的地區(qū)，可與現(xiàn)有科考項目輕易結(jié)合，且采集步驟與后續(xù)分析相對獨立。低廉的成本、靈活的操作模式讓大范圍、長時間監(jiān)測成為可能。大量樣本統(tǒng)一分析，會形成“規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)”，有利于分析工作的開展。

“在海底沉積物中、極寒條件下，環(huán)境DNA可以保存成千上萬年，蘊含古生物的奧秘?！?/p>

但環(huán)境DNA分析也有其局限性。首先，在一個地方發(fā)現(xiàn)某物種的DNA，未必能證明該物種生活在該處。這一道理很簡單，也很“致命”。再者，目標(biāo)物種的健康狀況、體積、發(fā)育階段只能通過直接觀測得知，無法通過環(huán)境DNA得出。DNA很容易在環(huán)境中遷移。河流生物的DNA，在其實際棲息地數(shù)公里開外仍能測出，所以環(huán)境DNA不能用來對種群精確定位。

不同物種在環(huán)境中留下的DNA量有多有少。若包裹DNA的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不夠堅固，或者環(huán)境惡劣（pH、溫度極高極低），DNA很容易快速分解。環(huán)境中檢測不出DNA，不能說明不存在相應(yīng)的物種。即使檢出DNA，也有可能來自污染源：樣本采集者、設(shè)備、環(huán)境都會污染樣本。舉個例子：有些沿海地區(qū)的餐廳、市場能檢測出異地魚類的DNA [10]。

圖片來源：Paul Castagné、Garance Castino所著文章 [11]

注：環(huán)境DNA分析流程圖，綠框為具體步驟，紅框為每個步驟的局限性。

檢測的結(jié)果偏差，還來源于分子生物學(xué)研究手段和數(shù)字工具本身。一方面，現(xiàn)有的基因數(shù)據(jù)庫尚不完整。另一方面，并非所有DNA片段都能有效地通過PCR擴(kuò)增。若條形碼選擇不當(dāng)或條形碼辨別有誤，則會出現(xiàn)假陽性、假陰性結(jié)果。項目樣本量大的情況下，逐個驗證結(jié)果有困難，何況采樣過程、基因測序都會出現(xiàn)偏差，故環(huán)境DNA分析作為量化工具的適用性有限。每項環(huán)境DNA研究，都必須對結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)的核驗，并與實地觀察統(tǒng)計出的種群規(guī)模進(jìn)行比對。

上述挑戰(zhàn)是環(huán)境DNA學(xué)者的重點攻克對象?，F(xiàn)已有數(shù)個頗具潛力的研究團(tuán)隊正在通過操作標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)庫擴(kuò)充、條形碼改良等方式降低環(huán)境DNA分析的不準(zhǔn)確性[12]。

紐約城市大學(xué)博士生、魚類種群環(huán)境DNA研究者Sam Chew Chin將環(huán)境DNA分析工具稱作“基因鼻”——“嗅探”生態(tài)圈的新型手段。雖然不盡完美，但其解鎖的種種可能性與其他工具相結(jié)合，能加深人類對生物多樣性的了解。

參考資料

1.https://report.ipcc.ch/ar6wg2/pdf/IPCC_AR6_WGII_FactSheet_ Biodiversity.pdf

2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2610135/

3.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982221 016900

4.https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01650 X

5.Un exemple: https://www.ajspi.com/communiques-club/climat-le-role-mesestime-de-la-biodiversite-des-abysses-dans-la-pompe-a-carbone-oceanique/

6.Un exemple: https://www6.inrae.fr/synaqua/

7.Etude du régime alimentaire de l’apron du Rh ne https://hal.science/hal-02462400

8.https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)00452–8

9.https://www.nature.com/articles/s41586-022–05453 y

10.https://youtu.be/WHcY9d6oq4A?t=2630

11.https://planet-vie.ens.fr/thematiques/ecologie/ l adn-environnemental-un-nouvel-outil-pour-espionner-les-especes-sauvages

12.Exemples d’un projet européen http://dnaqua.net/ about/ et d’un projet canadienhttps://itrackdna.ca/ index.php/buts-objectifs/?lang=f

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容，授權(quán)事宜請聯(lián)系原著作權(quán)人。

山煤國際

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環(huán)境DNA分析：捕捉“DNA線索”，讀懂“基因條形碼”

環(huán)境DNA分析的發(fā)展，為物種監(jiān)測帶來了新的可能性。

創(chuàng)瞰巴黎 · 2023/02/23 11:51

文|創(chuàng)瞰巴黎

導(dǎo)讀

如何盡可能減少對野生動物生活的干擾，同時密切關(guān)注它們種群的變化。環(huán)境DNA（eDNA）分析的發(fā)展，有望解決這一難題。環(huán)境DNA分析，是一種不對目標(biāo)物種造成危害的生物種群監(jiān)測工具。對于加深人類對生物多樣性的理解至關(guān)重要。

一覽：

  • 環(huán)境DNA分析，是一種不對目標(biāo)物種造成危害的生物種群監(jiān)測工具。
  • 環(huán)境DNA分析的原理是將樣本與基因條形碼庫比對，辨別出環(huán)境中存在的某個物種或某類物種。
  • 環(huán)境DNA分析現(xiàn)有四大應(yīng)用：生物多樣性研究、物種跟蹤檢測、種群規(guī)模估算、食性研究。
  • 但環(huán)境DNA能揭示的信息有限，不如直接觀測得到的信息多，且環(huán)境中的DNA容易擴(kuò)散到別處或者被破壞、降解。
  • 改良環(huán)境DNA分析手段，對于加深人類對生物多樣性的理解至關(guān)重要。

地球的生物多樣性面臨著重大危機(jī) [1]。作為人類，我們既要密切關(guān)注野生動物種群的變化，又要盡可能減少對它們生活的干擾——二者看似矛盾，如何兼顧？所幸，隨著環(huán)境DNA（eDNA）分析的發(fā)展，這一難題有望得到解決。

01 利用環(huán)境中的“蛛絲馬跡”監(jiān)測物種

自上世紀(jì)八十年代起，科學(xué)家便開始利用新型測序技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，分析環(huán)境樣本中的基因組，以辨別肉眼不可見的微生物。宏基因組學(xué)（直接研究樣本中所有微生物基因組集合的學(xué)科）應(yīng)運而生。

環(huán)境DNA不僅來自無處不在的微生物。所有生物不論大小，都會留下“蛛絲馬跡”——黏液、死皮、毛發(fā)、尸骨、糞便等。這些物質(zhì)所含的DNA信息可用于物種鑒定。2008年，法國國家科學(xué)研究中心高山生態(tài)學(xué)實驗室驗證了這一理論：學(xué)者們分析了多個水塘中的DNA物質(zhì)，判斷出了牛蛙活動的痕跡[2]。

這意味著環(huán)境DNA分析可作為監(jiān)測大型生物種群的有效工具，在沉積物、海床、甚至空氣中已得到成功應(yīng)用。甚至有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，提取動物園的空氣，分析其中的DNA物質(zhì)，能推斷出動物園內(nèi)外的數(shù)十種物種，這一結(jié)果發(fā)表于2022年初的兩篇學(xué)術(shù)論文中[3, 4]。環(huán)境DNA分析潛力無窮，但也存在一些缺陷。首先，讓我們來了解其原理。

圖片來源：新西蘭漢密爾頓動物園空氣eDNA分析結(jié)果

注：每種顏色對應(yīng)一類物種（黃色為肉類飼料來源物種），圓圈大小代表檢測結(jié)果推算出的種群規(guī)模。

02 解密環(huán)境DNA

分析環(huán)境樣本中的DNA有三種方式。一是全局宏基因組測序：對樣本中所有DNA物質(zhì)進(jìn)行測序，然后試圖辨別已知物種的基因組。全局宏基因組測序適用于微生物研究，因為環(huán)境樣本中的微生物DNA一般都相對完整，且含量較高。相比之下，大型生物的DNA在環(huán)境樣本中含量低，支離破碎，片段長度只有幾十至幾千堿基對，不適合做全局宏基因組測序。

這時，就輪到條形碼技術(shù)登場了?；驐l形碼，指可作為物種標(biāo)記的基因片段。學(xué)者一般會選擇較短的片段作為條形碼，便于與環(huán)境中天然存在的破碎DNA匹配。樣本里與已知條形碼匹配的片段通過PCR擴(kuò)增，便可進(jìn)一步研究分析。條形碼的定義可精準(zhǔn)（指向一個物種）、可粗略（指向親緣關(guān)系較近的多個物種）；可監(jiān)測具體物種，亦可統(tǒng)計一個區(qū)域的物種組成，前者稱為條形碼技術(shù)，后者稱為宏條形碼技術(shù)（一種具有針對性的宏基因組學(xué)手段）。

條碼匹配鑒定，需使用已知物種的條形碼數(shù)據(jù)庫。不同細(xì)分領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫有大有小，由此便引出環(huán)境DNA分析的一個局限性：有效的分析必須基于內(nèi)容豐富的數(shù)據(jù)庫。不過，隨著學(xué)界收集的數(shù)據(jù)越來越多，這一障礙未來有望逐漸化解。

03 環(huán)境DNA分析的優(yōu)劣勢

環(huán)境DNA分析現(xiàn)有四大應(yīng)用：生物多樣性研究（對一個區(qū)域的物種進(jìn)行類別統(tǒng)計、長期監(jiān)測、生理機(jī)能分析等[5]）、物種跟蹤檢測（針對瀕危物種、入侵物種、環(huán)境健康指示物種 [6]）、種群規(guī)模估算、食性研究（通過分析糞便中的DNA [7]）。

在海底沉積物中、極寒條件下，環(huán)境DNA可以保存成千上萬年，蘊含古生物的奧秘。在阿拉斯加的布里斯托灣，研究者從環(huán)境中提取單細(xì)胞生物DNA，可追溯到1400年前，還能從其變遷看出二戰(zhàn)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對環(huán)境的影響[8]。2022年12月初，研究者利用從格林蘭永凍層采集的eDNA樣本，重塑了200萬年前的古生態(tài)系統(tǒng)，一舉打破了記錄[9]。

研究現(xiàn)代生物，環(huán)境DNA分析同樣能派上大用場。環(huán)境DNA采集步驟十分簡單，對環(huán)境不造成任何侵?jǐn)_，無需復(fù)雜設(shè)備或培訓(xùn)，可用于難以直接觀測種群的地區(qū)，可與現(xiàn)有科考項目輕易結(jié)合，且采集步驟與后續(xù)分析相對獨立。低廉的成本、靈活的操作模式讓大范圍、長時間監(jiān)測成為可能。大量樣本統(tǒng)一分析，會形成“規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)”，有利于分析工作的開展。

“在海底沉積物中、極寒條件下，環(huán)境DNA可以保存成千上萬年，蘊含古生物的奧秘?！?/p>

但環(huán)境DNA分析也有其局限性。首先，在一個地方發(fā)現(xiàn)某物種的DNA，未必能證明該物種生活在該處。這一道理很簡單，也很“致命”。再者，目標(biāo)物種的健康狀況、體積、發(fā)育階段只能通過直接觀測得知，無法通過環(huán)境DNA得出。DNA很容易在環(huán)境中遷移。河流生物的DNA，在其實際棲息地數(shù)公里開外仍能測出，所以環(huán)境DNA不能用來對種群精確定位。

不同物種在環(huán)境中留下的DNA量有多有少。若包裹DNA的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不夠堅固，或者環(huán)境惡劣（pH、溫度極高極低），DNA很容易快速分解。環(huán)境中檢測不出DNA，不能說明不存在相應(yīng)的物種。即使檢出DNA，也有可能來自污染源：樣本采集者、設(shè)備、環(huán)境都會污染樣本。舉個例子：有些沿海地區(qū)的餐廳、市場能檢測出異地魚類的DNA [10]。

圖片來源：Paul Castagné、Garance Castino所著文章 [11]

注：環(huán)境DNA分析流程圖，綠框為具體步驟，紅框為每個步驟的局限性。

檢測的結(jié)果偏差，還來源于分子生物學(xué)研究手段和數(shù)字工具本身。一方面，現(xiàn)有的基因數(shù)據(jù)庫尚不完整。另一方面，并非所有DNA片段都能有效地通過PCR擴(kuò)增。若條形碼選擇不當(dāng)或條形碼辨別有誤，則會出現(xiàn)假陽性、假陰性結(jié)果。項目樣本量大的情況下，逐個驗證結(jié)果有困難，何況采樣過程、基因測序都會出現(xiàn)偏差，故環(huán)境DNA分析作為量化工具的適用性有限。每項環(huán)境DNA研究，都必須對結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)的核驗，并與實地觀察統(tǒng)計出的種群規(guī)模進(jìn)行比對。

上述挑戰(zhàn)是環(huán)境DNA學(xué)者的重點攻克對象?，F(xiàn)已有數(shù)個頗具潛力的研究團(tuán)隊正在通過操作標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)庫擴(kuò)充、條形碼改良等方式降低環(huán)境DNA分析的不準(zhǔn)確性[12]。

紐約城市大學(xué)博士生、魚類種群環(huán)境DNA研究者Sam Chew Chin將環(huán)境DNA分析工具稱作“基因鼻”——“嗅探”生態(tài)圈的新型手段。雖然不盡完美，但其解鎖的種種可能性與其他工具相結(jié)合，能加深人類對生物多樣性的了解。

參考資料

1.https://report.ipcc.ch/ar6wg2/pdf/IPCC_AR6_WGII_FactSheet_ Biodiversity.pdf

2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2610135/

3.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982221 016900

4.https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01650 X

5.Un exemple: https://www.ajspi.com/communiques-club/climat-le-role-mesestime-de-la-biodiversite-des-abysses-dans-la-pompe-a-carbone-oceanique/

6.Un exemple: https://www6.inrae.fr/synaqua/

7.Etude du régime alimentaire de l’apron du Rh ne https://hal.science/hal-02462400

8.https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)00452–8

9.https://www.nature.com/articles/s41586-022–05453 y

10.https://youtu.be/WHcY9d6oq4A?t=2630

11.https://planet-vie.ens.fr/thematiques/ecologie/ l adn-environnemental-un-nouvel-outil-pour-espionner-les-especes-sauvages

12.Exemples d’un projet européen http://dnaqua.net/ about/ et d’un projet canadienhttps://itrackdna.ca/ index.php/buts-objectifs/?lang=f

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容，授權(quán)事宜請聯(lián)系原著作權(quán)人。