環(huán)境DNA及其在水生生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)中的應(yīng)用研究

巴日斯

（呼倫貝爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 內(nèi)蒙古呼倫貝爾市 021008）

引言

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)來說，由于其系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，尤其是部分物種還具有隱蔽性強(qiáng)、數(shù)量少、體型小等特點(diǎn)，有效觀察的難度相對(duì)比較大，甚至還有部分生物在一定的生長(zhǎng)發(fā)育階段中進(jìn)行種屬鑒定的難度比較大，這些現(xiàn)象的存在都大大增加了生物多樣性的調(diào)查難度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，改進(jìn)和優(yōu)化了傳統(tǒng)的生物檢測(cè)手段，其中對(duì)于環(huán)境DNA技術(shù)來說，不會(huì)對(duì)所調(diào)查的物種造成損傷，同時(shí)效率和靈敏度都比較高，逐漸得到廣泛應(yīng)用。

1　環(huán)境DNA概述

環(huán)境DNA指的是可以直接從冰芯、空氣、土壤、水等環(huán)境樣品中直接提取到的DNA片段總和，是來自不同植物、動(dòng)物、微生物等物種DNA思維混合物，一方面包括生物通過粘液、糞便、尿液、皮膚等是放到環(huán)境當(dāng)中的，屬于表皮細(xì)胞中的胞內(nèi)DNA；另一方面保護(hù)死亡后細(xì)胞裂解到環(huán)境當(dāng)中的胞外DNA[1]。環(huán)境DNA的基礎(chǔ)是確定調(diào)查種群或物種的特異性基因識(shí)別片段，從環(huán)境介質(zhì)中借助相應(yīng)的分子手段提取環(huán)境DNA的識(shí)別片段情況，通過綜合分析后就能夠得到取樣環(huán)境當(dāng)中生物的具體分布情況。在近幾年環(huán)境DNA技術(shù)已經(jīng)逐漸廣泛的應(yīng)用到水生生物入侵的水體生物多樣性、早期檢測(cè)等調(diào)查當(dāng)中。

2　在水生生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)中對(duì)環(huán)境DNA的應(yīng)用

2.1　檢測(cè)是否存在目標(biāo)物種

通過對(duì)水體中是都存在目標(biāo)物種所釋放的DNA，就能夠有效判斷出在這一水體中目標(biāo)物種是否存在，目前在瀕危物種、入侵物種、稀有物種等檢測(cè)中就廣泛的應(yīng)用了環(huán)境DNA技術(shù)。比如就生物入侵來說，會(huì)造成生態(tài)系統(tǒng)功能損傷、生態(tài)系統(tǒng)退化、生物多樣性喪失等全球問題出現(xiàn)的一大原因，盡可能早的發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施有效遏制，是應(yīng)對(duì)生物入侵的重要環(huán)節(jié)[2]。但是在入侵早期，入侵生物的數(shù)量還比較少，如果用傳統(tǒng)檢測(cè)方法的話不僅僅工作量大，同時(shí)還容易對(duì)生物入侵程度產(chǎn)生低估。而采用環(huán)境DNA技術(shù)，即使在入侵生物數(shù)量比較少的階段中，也能夠有效檢測(cè)出目標(biāo)物種，進(jìn)而具有較大的應(yīng)用意義。到目前為止，環(huán)境DNA技術(shù)已經(jīng)在泥螺、亞洲鯉魚、緬甸蟒蛇、美國(guó)牛蛙等物種入侵中得到良好應(yīng)用。

2.2　生物量估測(cè)

相關(guān)調(diào)查研究結(jié)果顯示，水體中環(huán)境DNA的量與生物量之間呈正比例關(guān)系，研究人員已經(jīng)在水體中生物種群密度檢測(cè)中有效應(yīng)用這一技術(shù)。比如在2012年，Takahara等就應(yīng)用環(huán)境DNA技術(shù)對(duì)日本Iba--naiko湖中的的鯉魚進(jìn)行生物量評(píng)估。首先在半野外或?qū)嶒?yàn)室條件下對(duì)野外環(huán)境進(jìn)行模擬，對(duì)環(huán)境DNA與鯉魚數(shù)量之間存在的相關(guān)性進(jìn)行深入研究，研究結(jié)果顯示環(huán)境DNA的濃度和鯉魚的數(shù)量之間呈正比例關(guān)系，并能夠組成線性方程。其次在Iba--naiko湖當(dāng)中取樣，通過樣品中環(huán)境DNA的量對(duì)湖中鯉魚實(shí)際分布情況及數(shù)量進(jìn)行有效評(píng)估。但其中需要注意的是，無論是半野外條件還是實(shí)驗(yàn)室條件，與實(shí)際的野外條件之間都存在較大差異，如微生物種類、光照、湍流度、pH、溫度變化等，而這些因素都會(huì)對(duì)環(huán)境DNA降解和產(chǎn)生速度產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此這種方法還有待進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，全面提高其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

2.3　生物多樣性評(píng)估

隨著第二代測(cè)序工具的誕生，環(huán)境DNA從檢測(cè)一個(gè)樣品轉(zhuǎn)變成同時(shí)檢測(cè)多個(gè)樣品成為可能，目前在水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性檢測(cè)中已經(jīng)得到有效應(yīng)用。在二代測(cè)序中所使用的策略主要是“邊合成邊測(cè)序”，通過對(duì)延伸的DNA鏈合成末端多發(fā)出的熒光進(jìn)行捕捉，然后轉(zhuǎn)化成一個(gè)測(cè)序峰值獲得互補(bǔ)鏈序列信息。在測(cè)序中通過使用芯片，就能夠同時(shí)測(cè)序多個(gè)DNA鏈，完成大規(guī)模平行測(cè)序。一般情況下，某種DNA在樣品中被測(cè)序的次數(shù)就能夠代表其序列在樣品中的豐度，這表示在環(huán)境DNA技術(shù)中還具有定量功能，這都為在生物多樣性調(diào)查中應(yīng)用環(huán)境DNA技術(shù)提供依據(jù)[4]。在單次反應(yīng)中應(yīng)用大規(guī)模平行測(cè)序，就能夠?qū)Χ喾N生物的DNA序列檢測(cè)出來，然后比較GenBank當(dāng)中的基因序列就能夠很好的明確這一區(qū)域內(nèi)生存的物種，同時(shí)借助定量功能也能夠?qū)υ诓蓸铀蛑性撐锓N的相對(duì)豐度進(jìn)行間接分析。

結(jié)語

總的來說，相較于傳統(tǒng)生物檢測(cè)手段環(huán)境DNA技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高水生生態(tài)系統(tǒng)檢測(cè)效率和質(zhì)量，通過應(yīng)用環(huán)境DNA就能夠全面掌握水生生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際情況，進(jìn)而有效制定相應(yīng)的保護(hù)措施，維護(hù)生態(tài)平衡。

[1]姜維,趙虎,鄧捷,王啟軍,孔飛,張紅星.環(huán)境 DNA 分析技術(shù)—一種水生生物調(diào)查新方法[J].水生態(tài)學(xué)雜志,2016,37(05):1-7.

[2]陳煉,吳琳,劉燕,徐海根.環(huán)境 DNAmetabarcoding 及其在生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(15):4573-4582.

[3]于水強(qiáng),王文娟,B.LarryLi.環(huán)境DNA技術(shù)在地下生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(15):4968-4976.

[4]徐浩,羅茜,李云,薛洋,葉勤.環(huán)境DNA研究技術(shù)及其在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].生物技術(shù)通報(bào),2014,(10):49-55.