環(huán)境DNA方法在北極地區(qū)魚類多樣性研究中的應(yīng)用潛力

王芮 林龍山 李海 張然,2 李淵

研究進展

環(huán)境DNA方法在北極地區(qū)魚類多樣性研究中的應(yīng)用潛力

王芮1林龍山1李海1張然1,2李淵1

(1自然資源部第三海洋研究所, 福建 廈門 361005;2廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院, 福建 廈門 361002)

隨著生物技術(shù)的發(fā)展, 環(huán)境DNA(environmental DNA, eDNA)方法被廣泛應(yīng)用到水生生物多樣性研究中。與傳統(tǒng)方法相比, eDNA方法具有靈敏度高、省時省力、對調(diào)查的生物對象無損傷等優(yōu)點, 并可以快速地檢測出調(diào)查區(qū)域內(nèi)生物種類組成、稀有物種等。但目前eDNA方法在極地海洋生物多樣性研究中的應(yīng)用極少, 本文綜述了國內(nèi)外eDNA的研究現(xiàn)狀, 分析了該方法的優(yōu)點與缺點, 結(jié)合北極地區(qū)海洋魚類生物多樣性研究現(xiàn)狀, 展望了eDNA方法在北極地區(qū)海洋魚類生物多樣性研究中的應(yīng)用潛力以及可能面臨的相關(guān)挑戰(zhàn)。

環(huán)境DNA 北極地區(qū) 魚類生物多樣性 應(yīng)用潛力

0 引言

北極地區(qū)的海洋生態(tài)系統(tǒng)與地球上其他海域的生態(tài)系統(tǒng)有較大差別。中心海域為北冰洋, 存在著多年的浮冰, 太陽輻射、冰雪覆蓋以及相關(guān)的大氣環(huán)境均會隨著季節(jié)產(chǎn)生劇烈的變化。北冰洋隨季節(jié)而變化的環(huán)境狀況、當(dāng)?shù)毓逃械淖匀坏乩頎顩r以及與大西洋、太平洋通過所謂的“北極通道”的連通一起塑造了北極海域的海洋生態(tài)系統(tǒng)。北極地區(qū)除中心海域的北冰洋外, 還包括北冰洋的邊緣海域, 例如巴倫支海、白令海、楚科奇海等, 與北冰洋相比, 這些邊緣海存在著地球上生產(chǎn)力最高的海洋生態(tài)系統(tǒng)之一。與南極相比, 北極的地質(zhì)年齡較小, 不穩(wěn)定的持續(xù)周期性震動的環(huán)境和不穩(wěn)定的生物地理隔離, 使北極與北方其他海區(qū)有著強烈的物種交流, 種類組成以北方冷水種和廣溫性的遷入種類為主, 迄今為止, 科學(xué)家們在北極海域共發(fā)現(xiàn)了近8 000種生物, 其中魚類有200多種[1-2], 但未被發(fā)現(xiàn)的種類數(shù)可能更多。

目前, 國際上有多個針對極地海洋生物多樣性的研究計劃已經(jīng)或正在開展, 如: 北極海洋多樣性計劃、北極生物多樣性評估計劃、北極植物和動物保護計劃、生物分布觀測計劃等。從諸多的國際計劃上可以看出, 全球范圍內(nèi)對北極地區(qū)海洋生物多樣性的關(guān)注度極高。同時, 由于北極地區(qū)對氣候變化的敏感性, 北極地區(qū)生物多樣性與氣候變化的關(guān)系、與環(huán)境變化的關(guān)系已經(jīng)成為了國際上的研究熱點。Bluhm等[3]更新了北極生物的物種清單, 舉例說明了可以作為環(huán)境變化指標(biāo)的多樣性變化現(xiàn)象, 強調(diào)了填補北極地區(qū)知識空白的必要性與緊迫性, 建議以公開、開放的方式對北極海洋生物多樣性進行定期的、戰(zhàn)略性的和持續(xù)性的監(jiān)控, 以提供全面的數(shù)據(jù), 為管理、保護和其他相關(guān)決策提供依據(jù)。Hansell等[4]研究了北極大氣環(huán)境改變與生物多樣性的關(guān)系, 其結(jié)果指出, 影響北極地區(qū)生物多樣性的因素很多, 通過對北極地區(qū)生物多樣性的研究可以掌握北極地區(qū)的敏感信息, 有助于加深對北極生物區(qū)系、人類種群和自然環(huán)境之間復(fù)雜相互作用的理解。Wisz等[5]研究分析北冰洋周邊海域的魚類多樣性問題, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)北極變暖將促進大西洋、太平洋與北極周邊海域的魚類種類交換, 這種交換可能會觸發(fā)北大西洋和北太平洋生物多樣性和食物網(wǎng)的變化, 指出研究北極魚類多樣性可以分析生態(tài)系統(tǒng)的變化。此外, 國內(nèi)對北極海洋生物多樣性的研究也日益增多, 陳永俊等[6]分析了白令海和楚科奇海魚類種類組成及其對生態(tài)環(huán)境變化的響應(yīng)問題, 結(jié)果指出氣候變化引起部分北極、亞北極海區(qū)魚類出現(xiàn)不同程度的緯向和縱向移動, 由此將引起北極漁業(yè)資源分布格局的變化。張然等[7]對白令海魚類分類多樣性及魚類區(qū)系進行了相關(guān)研究, 其結(jié)果指出隨著全球氣候變化導(dǎo)致白令海海域的冷水團北移和海水表面溫度上升, 部分魚類持續(xù)性北移可能是白令海的魚類物種組成結(jié)構(gòu)改變的主要原因?？v觀國際上的相關(guān)科研組織, 以及國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究, 我們可以發(fā)現(xiàn)北極地區(qū)海洋生物多樣性的問題是重要的科學(xué)問題, 其研究結(jié)果可以延伸到許多方面, 是解釋和預(yù)測北極地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化、全球氣候變化的基礎(chǔ)。但目前北極地區(qū)仍缺少長期且連續(xù)的生物監(jiān)測, 缺少大規(guī)模的生物多樣性標(biāo)準化數(shù)據(jù)庫。

目前, 對于生物多樣性的研究一般采取諸如拖網(wǎng)采樣調(diào)查、潛水采樣調(diào)查等傳統(tǒng)方式獲取樣本, 但這些方法的局限性較大, 無法全面、準確的掌握生物多樣性的信息, 還會耗時耗力。此外, 北極海域位于高緯度地區(qū), 地理環(huán)境和氣候環(huán)境惡劣, 不利于大范圍的和連續(xù)時間范圍內(nèi)的科學(xué)調(diào)查, 對高緯度海洋諸多方面的了解甚少, 在很大程度上阻礙了人類對極地生物多樣性的監(jiān)測, 尤其是對生活在海洋中的眾多魚類, 監(jiān)測過程更加困難。面對北極地區(qū)目前所承受的生態(tài)壓力及其生物多樣性信息缺乏的現(xiàn)狀, 急需尋找一種經(jīng)濟、高效、全面且準確的物種多樣性監(jiān)測與調(diào)查方法。隨著分子生物學(xué)的迅速發(fā)展, 基于環(huán)境DNA(environmental DNA, eDNA)方法的物種監(jiān)測技術(shù)逐漸發(fā)展起來, 環(huán)境DNA概念源于從環(huán)境樣品中直接獲得微生物核酸[8-10]。研究學(xué)者們對來自于土壤[11]、多年凍土[12-13]、淡水[14]、海水[15]中的微生物eDNA進行了廣泛的研究, 這些研究為細菌的多樣性和功能基因組學(xué)的研究提供了寶貴的見解。此后, 隨著高通量測序等生物技術(shù)的快速發(fā)展, eDNA方法在越來越多的領(lǐng)域開始得到應(yīng)用。在水生生物監(jiān)測、生物多樣性的研究中, 該方法逐漸成為了一種新型的監(jiān)測方法, 具體是指從自然介質(zhì)中提取的DNA, 主要來源于生物的表皮細胞脫落、糞便、唾液以及分泌物等[16]。通過分析自然介質(zhì)中的DNA進行物種的鑒定與相應(yīng)的檢測[17-19]。由于該方法具有靈敏度高、省時省力、對調(diào)查生物無損害等特點和優(yōu)勢, 并可以快速監(jiān)測調(diào)查區(qū)域中的生物組成情況, 因此, 該方法被應(yīng)用于眾多水域(包括廢水、河流、池塘、溪流、湖泊、潟湖、海洋)的水生生物監(jiān)測和研究[17]。綜合北極地區(qū)的環(huán)境特征和eDNA方法的特點, 發(fā)展該方法去監(jiān)測北極地區(qū)的生物多樣性會促進和進一步完善未來北極地區(qū)生物多樣性的監(jiān)測工作, 但目前, 如何有效地在極地特殊環(huán)境下利用eDNA方法進行海洋生物多樣性監(jiān)測是我們所需要關(guān)注的問題。因此, 本文綜述了eDNA在生物多樣性研究中的國內(nèi)外現(xiàn)狀, 分析了其相應(yīng)的優(yōu)勢與劣勢, 并討論了eDNA方法在北極地區(qū)生物多樣性研究中的應(yīng)用潛力和將面對的難題, 旨在為極地海洋生物多樣性的研究提供新思路、新方法, 補充以往研究中的不足, 為未來搭建極地生物多樣性檢測系統(tǒng)和標(biāo)準化數(shù)據(jù)庫奠定理論技術(shù)基礎(chǔ)。

1 環(huán)境DNA方法在海洋環(huán)境中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其優(yōu)劣勢分析

二十世紀初, 相關(guān)學(xué)者們從陸地沉積物、水生沉積物、冰、土壤等自然介質(zhì)中提取eDNA樣本, 用來監(jiān)測與分析哺乳動物、鳥類、昆蟲、植物、真菌等生物的變化。2005年以后, eDNA方法被更廣泛地應(yīng)用在淡水環(huán)境中的水生生物監(jiān)測與多樣性研究當(dāng)中, 研究學(xué)者們從廢水、河流、池塘、溪流、湖泊、潟湖以及人造水域環(huán)境中采集eDNA樣本, 從而研究分析調(diào)查區(qū)域內(nèi)生物的種類組成、生物多樣性, 監(jiān)測調(diào)查區(qū)域內(nèi)生物種類的變化, 評估調(diào)查區(qū)域內(nèi)目標(biāo)種類的生物量等[20-22]。海洋環(huán)境較為復(fù)雜, 同時不可控的因素與難于量化的標(biāo)準較多。因此, 目前eDNA在海洋環(huán)境中的應(yīng)用相對較難。

2012年, Thomsen等[23]在近海環(huán)境中, 將eDNA方法與9種常規(guī)的魚類資源調(diào)查方法做了深入的比較, 結(jié)果顯示該方法比9種常規(guī)調(diào)查方法更為靈敏, 更適合用于魚類多樣性的研究, 同時對eDNA在海洋環(huán)境中的潛在擴散做了降解實驗, 表明DNA片段會在幾天內(nèi)降解到無法檢測的程度, 且表明在未來利用eDNA方法監(jiān)測海洋環(huán)境中的生物時需要對所處的自然環(huán)境有一定的認識和了解, 最好通過實驗驗證環(huán)境對eDNA樣品的影響。該研究在驗證概念的情況下, 其結(jié)果充分體現(xiàn)了eDNA方法在資源調(diào)查中的靈敏度以及較高的經(jīng)濟效益, 但同時也展現(xiàn)了eDNA方法在海洋環(huán)境中應(yīng)用時存在的一些問題, 例如eDNA樣品保存的時效性問題等; Foote等[24]利用eDNA的方法監(jiān)測海洋哺乳動物, 雖然結(jié)果顯示eDNA的檢測成功率要比聲學(xué)檢測設(shè)備的成功率低, 但在調(diào)查的海域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了很少被監(jiān)測到的長鰭鯨魚, 證明了eDNA方法可以作為海洋哺乳動物監(jiān)測的有力補充, 該研究驗證了eDNA的概念, 證明了eDNA方法是生物多樣性監(jiān)測中的有力補充手段, 但eDNA樣品在海洋環(huán)境中的分散度和稀釋度要高于淡水環(huán)境, 所處自然環(huán)境會對eDNA樣品造成多大程度的影響均是eDNA方法目前存在且尚未得到很好解決的問題; 2014年, Kelly等[25-26]利用eDNA方法對海水水族館中的脊椎動物進行檢測, 結(jié)果顯示獲得的eDNA序列豐度與相應(yīng)物種數(shù)量之間存在明顯的定量關(guān)系, 證實了eDNA具有成為生物監(jiān)測核心工具的潛力, 并指出應(yīng)該通過對已知組成和生物量的群落進行驗證試驗來評估eDNA測序技術(shù)的錯誤率, 但從該實驗中可以看出分析檢測出的序列與模板DNA之間的關(guān)系存在一定的不確定性, 相關(guān)物種之間測序DNA片段的變異性、測序片段的長度以及參考用數(shù)據(jù)庫的完整性、eDNA采樣區(qū)域內(nèi)的時間與空間的變化以及eDNA樣品的時效性會從不同的角度影響檢測結(jié)果; 2016年, Thomsen等[27]對亞北極地區(qū)深水魚類進行eDNA技術(shù)和拖網(wǎng)調(diào)查進行比較研究, 結(jié)果顯示兩種方法共鑒定魚類26科, 其中有3科僅出現(xiàn)在eDNA技術(shù)鑒定中, 2科僅出現(xiàn)在底拖網(wǎng)調(diào)查中, 此外, eDNA結(jié)果中檢測到大量保護物種格陵蘭鯊()的存在, eDNA方法在本研究中充當(dāng)了一種有效的輔助檢測, 同常規(guī)性的拖網(wǎng)調(diào)查相比, 該方法在某種意義上是一種非入侵性的方法, 但eDNA方法的檢測結(jié)果與生物豐度或與資源量的相關(guān)關(guān)系并不能很好地建立, 資源評估和管理工作所用的數(shù)據(jù)可能還需要通過傳統(tǒng)的拖網(wǎng)調(diào)查所獲取, 而根據(jù)eDNA檢測結(jié)果進行對生物量的定量推斷是未來一個很大的挑戰(zhàn)。2017年, 趙夢迪[28]利用eDNA方法分析了冬季中國黃海水域的魚類多樣性, 經(jīng)過與傳統(tǒng)調(diào)查與分析方法的比較, 證實了eDNA方法在漁業(yè)資源調(diào)查中的可行性, 但通過對比實驗表明該方法存在許多問題, 在現(xiàn)階段只建議將eDNA方法作為傳統(tǒng)資源調(diào)查方式的補充手段。

2018年, Rodgers等[29]設(shè)計特異性引物利用eDNA技術(shù)對阿拉斯加北坡的湖泊和河流內(nèi)的5種重要北極魚類進行檢測, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有采集水樣中均能鑒定出目標(biāo)種, 為漁業(yè)管理應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)依據(jù), 該研究體現(xiàn)了eDNA方法經(jīng)濟實用, 有助于改進對生物分布變化的監(jiān)測, 尤其是對稀有的或低豐度的物種或種群進行監(jiān)測時, 可以提高檢測概率, 此外, 可以將eDNA方法收集的數(shù)據(jù)應(yīng)用到相應(yīng)的模型中, 預(yù)測物種對自然資源開發(fā)和氣候變化的反應(yīng), 但從其具體的實驗結(jié)果來看, 假陰性結(jié)果和誤報是eDNA方法目前存在的問題。2018年, Lacoursière-Roussel等[30]利用eDNA方法對北極地區(qū)沿海的后生動物的生物多樣性進行了研究, 共檢測出181個物種, 證明了eDNA方法具有記錄大規(guī)模北極海洋生物多樣性變化的潛力, 并可以在各種環(huán)境條件下進行取樣, 但如何在空間和時間上進行標(biāo)準化, 以便準確評估種群結(jié)構(gòu)變化是未來需要進一步深入研究的問題。目前, eDNA方法除了在一般海域環(huán)境以及北極地區(qū)海域環(huán)境中被應(yīng)用外, 在同為高緯度海域的南極海域也有相關(guān)的應(yīng)用。2018年, Cowart等[31]利用eDNA技術(shù)對西南極半島的底棲生物多樣性進行檢測, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)大量常見底棲無脊椎動物、區(qū)域性分布的南極魚類和帝王蟹, 同時發(fā)現(xiàn)帝王蟹有向溫暖的陸架移動趨勢。在地理環(huán)境和海洋環(huán)境復(fù)雜的高緯度海域, eDNA方法提高了對偏遠水域中動物種群監(jiān)測的靈敏度, 并且采集樣本的方式更加便捷, 所花費的成本更低。

基于對上述研究現(xiàn)狀的分析, eDNA方法在海洋環(huán)境中, 尤其是在監(jiān)測海洋生物的工作中有許多明顯的優(yōu)勢, 但也有一些明顯的劣勢。綜合來講, eDNA方法是一種環(huán)境友好性的生物監(jiān)測方法, 對生態(tài)環(huán)境基本沒有傷害, 在對珍稀物種進行檢測時有著明顯的優(yōu)勢, 此外該方法省時省力, 不用過分依賴專業(yè)的分類專家, 但需要建立完善的數(shù)據(jù)庫, 結(jié)果相對客觀, 靈敏度高, 成本低。但對比傳統(tǒng)的海洋生物調(diào)查與監(jiān)測方法, eDNA方法并不能得到監(jiān)測物種發(fā)育時期以及性別比例等信息, 同時, eDNA樣本之間容易出現(xiàn)交叉污染, 容易受到環(huán)境因素的影響。整體上講, 在監(jiān)測物種, 尤其是對珍稀物種的監(jiān)測工作中, eDNA方法甚至可以完全替代傳統(tǒng)的監(jiān)測方法, 但在漁業(yè)資源調(diào)查領(lǐng)域, 尤其是需要做出生物量評估等工作時, 若使用eDNA方法還需要進行大量的深入研究工作。

2 環(huán)境DNA方法在北極地區(qū)魚類多樣性研究中的應(yīng)用潛力與面對的挑戰(zhàn)

2.1 環(huán)境DNA方法在北極地區(qū)魚類多樣性研究中的應(yīng)用潛力

生物群落的狀態(tài)是海洋生態(tài)環(huán)境以及一系列海洋問題的體現(xiàn)者, 因此若想從根本上了解一些北極地區(qū)的海洋科學(xué)問題, 有必要進行海洋生物多樣性監(jiān)測與研究。近幾年來, 全球氣候變化問題被廣泛關(guān)注, 而北極地區(qū)也是對全球氣候變化響應(yīng)和反饋最敏感的地區(qū)之一, 生物多樣性的研究工作就變得更加尤為突出。開展北極地區(qū)的生物多樣性調(diào)查, 尤其是對魚類多樣性的調(diào)查, 掌握其資源分布現(xiàn)狀及其對自然環(huán)境的響應(yīng)變化, 有助于維護我國在北極的國家利益, 顯示我國在北極地區(qū)的實質(zhì)性存在。在海冰和氣候等變化顯著的背景下, 特別是太平洋扇區(qū)的白令海和楚科奇海的魚類多樣性及其對生態(tài)環(huán)境變化的響應(yīng), 不僅可以掌握我國傳統(tǒng)考察區(qū)域魚類多樣性現(xiàn)狀, 亦可以為北極漁業(yè)資源開發(fā)和保護策略制定提供科學(xué)依據(jù), 對我國參與北極相關(guān)事務(wù), 以及維護我國海洋權(quán)益有十分重要的現(xiàn)實和深遠意義。

整體上講, eDNA方法具有便捷、靈敏、對監(jiān)測目標(biāo)生物體無傷害等特性; 北極地區(qū)的海洋環(huán)境具有氣候惡劣、地形復(fù)雜、水文環(huán)境復(fù)雜、對氣候變化的敏感性強等特性。將eDNA方法的特性與北極地區(qū)海洋環(huán)境的特性相結(jié)合考慮, 那么eDNA方法在很大程度上具有應(yīng)用于北極地區(qū)生物監(jiān)測與生物多樣性調(diào)查的潛力, 并具有較強的可行性。

1. 有一定的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)

eDNA方法雖然是新生的水生生物監(jiān)測方法, 但其在國內(nèi)外的研究中已經(jīng)有較多的應(yīng)用, 并取得了一定的結(jié)果, 并提出了需要改進的方面和未來需要重點關(guān)注的問題。對于北極地區(qū)而言, Lacoursière-Roussel[30]等人利用eDNA方法在北極地區(qū)發(fā)現(xiàn)了非特定區(qū)域的海洋生物, 認為eDNA方法可以快速檢測大尺度范圍下的生物多樣性情況, 證明了eDNA方法可以應(yīng)用在北極海域, 并指出可以在暴露的和冰雪覆蓋的環(huán)境下采集樣本。

2. 關(guān)鍵技術(shù)方法可行且有效

北冰洋及其周邊海域的地理環(huán)境復(fù)雜, 氣候環(huán)境惡劣, 這些自然狀況在某些情況下限制了科學(xué)資源調(diào)查工作的進行, 尤其是對需要采用底拖網(wǎng)進行的魚類資源調(diào)查限制更大, 若利用eDNA方法可以相對地克服這一困難[1,32-33]。北極地區(qū)的某些海域中, 生物資源的樣本并不能很好獲得, 但eDNA方法可以從更微觀的角度來獲得生物樣本。此外, 以傳統(tǒng)的調(diào)查方式獲得的生物資源樣本需要花費較多的人力和物力去鑒別, 尤其對參與實驗的人員所具有的專業(yè)技能(鑒定分類)要求較高, 調(diào)查的區(qū)域是北極地區(qū), 采集回來的樣品還時常不同于一般的常見品種, 通過形態(tài)鑒別品種較為困難, 而eDNA方法則不同, 只需要對進行采樣的工作人員進行簡單培訓(xùn)即可[1,34]。生物監(jiān)測與多樣性調(diào)查是一項長期性的工作, 監(jiān)測的成本與效率、監(jiān)測結(jié)果的有效性均非常重要, 與傳統(tǒng)的調(diào)查方式相比較, eDNA方法在這幾個方面均表現(xiàn)出了較為明顯的優(yōu)勢。

以目前的DNA測序技術(shù), 無論是進行單物種或多物種的鑒定均是可行的。DNA提取試劑盒與傳統(tǒng)方法相結(jié)合的方式保證了環(huán)境樣本中DNA的有效提取; DNA條形碼、宏條形碼、高通量測序等方法保證了樣本中DNA檢測的準確性; 相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件眾多, 保證了實驗結(jié)果的合理且有效的分析。以上的一系列過程與傳統(tǒng)的實驗方法相比, 高效且便捷, 在一定程度節(jié)省了人力物力。

3. 具有生態(tài)學(xué)優(yōu)勢

從自然介質(zhì)中提取生物的DNA是eDNA方法的特點, 這一特點保證了在收集生物樣本時, 生物本身以及相聯(lián)系的生態(tài)環(huán)境不受到破壞, 雖然科學(xué)調(diào)查不同于捕撈生產(chǎn), 但對于一些珍貴的稀有物種來講, 一定的捕撈就會導(dǎo)致其群體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, eDNA方法很好地解決了這一問題[35-36]。此外, 結(jié)合目前北極地區(qū)的海洋生物資源現(xiàn)狀以及海洋生態(tài)環(huán)境特點來看, eDNA方法會更有利地監(jiān)測北極地區(qū)的海洋生物以探究其生物多樣性以及群落結(jié)構(gòu)。

2.2 環(huán)境DNA方法在北極地區(qū)魚類多樣性研究中所面對的挑戰(zhàn)

eDNA方法是先進的科學(xué)方法, 目前有些方面還尚未成熟, 各個環(huán)節(jié)上都有需要進一步解決和優(yōu)化的問題。若想將eDNA方法有效地應(yīng)用在北極地區(qū)的生物監(jiān)測和生物多樣性調(diào)查中, 以下幾點問題是具有比較大的挑戰(zhàn)性的。

1. 采樣設(shè)計

不同于一般的海域環(huán)境, 北冰洋及其周邊海域的海洋環(huán)境更為復(fù)雜, 地形復(fù)雜, 多種水體交換, 海冰覆蓋與消融, 對氣候變化敏感。從生物個體上脫落到環(huán)境中的DNA樣本會隨著海流移動, 同時, 不同時間(主要是季節(jié)的影響)與空間的水體環(huán)境會對DNA樣本的運輸和降解起不同的作用, 相關(guān)研究表明, 在北極生態(tài)系統(tǒng)中, 由于水的溫度較低, eDNA的降解速度較慢, 但運輸和擴散的速率會更高[26], 而其他水域環(huán)境則有自己的特點。在什么時間、什么區(qū)域、什么樣的水體環(huán)境中以及什么樣的水體深度中進行采樣是一個較為困難的判斷與設(shè)計的工作, 需要對調(diào)查區(qū)域的水文環(huán)境以及會影響采樣的相關(guān)因素, 例如時間間隔的設(shè)定、不同采樣深度的設(shè)定等均需要進行一定的了解與相關(guān)的量化。此外, 還需要注意采樣過程中交叉污染的問題, 要嚴格對采樣工具進行滅菌處理, 不同站點的樣本需要隔離保存。

2. 檢出率

雖然目前的分子生物技術(shù)較為先進, 但eDNA樣本不同于其他DNA樣本, eDNA樣本的復(fù)雜性要高于一般的DNA樣本, 因此如何設(shè)計引物, 將樣本中存在的生物DNA更有效、更全面地提取出來是一個需要進一步優(yōu)化的問題; 樣品的保存方式也會影響DNA的檢出率, 在北極地區(qū)采樣, 樣品的運輸距離較長, 如何較好地保存樣品, 使樣品盡可能不受外界因素污染也是需要關(guān)注的問題。此外, DNA條形碼、DNA宏條形碼識別物種的能力、DNA序列庫中資料的完整性也是檢出率的保證。

3. 結(jié)果分析的準確性

北極地區(qū)的大氣環(huán)境、水文環(huán)境、海冰消融情況隨季節(jié)有著劇烈的變化, 從而導(dǎo)致了影響eDNA樣本的不可控因素要比一般的水域環(huán)境中多, 在對結(jié)果進行分析時會出現(xiàn)一定的偏差。在分析結(jié)果時, 需如何根據(jù)實際情況挑選對結(jié)果造成較大偏差的因素, 例如污染與抑制作用導(dǎo)致DNA的假陰性與假陽性擴增, 水文環(huán)境所導(dǎo)致的時效性問題[28-31]等, 如何將這些影響顯著的因素進行一定的量化或給出所造成偏差的范圍是需要考慮的問題。

4. 結(jié)果的轉(zhuǎn)化

在經(jīng)過對eDNA樣本的采取、提取、檢測后, 需要根據(jù)研究目標(biāo)對結(jié)果進行一定的量化分析, 當(dāng)研究目標(biāo)是分析北極地區(qū)魚類多樣性時, 需要將檢測結(jié)果在時間和空間上進行一定的標(biāo)準化后給出相關(guān)結(jié)果, 那么如何合理準確地量化所檢測出的結(jié)果, 對多樣性問題進行較為深入的分析與討論是一個難點, 如何確定生物和非生物條件引起eDNA時空變化是需要首先考慮的問題, 這不僅能保證結(jié)果轉(zhuǎn)化的準確性, 還能給予eDNA時效性一個合理的解釋。

5. 相關(guān)生態(tài)學(xué)問題的考慮

eDNA樣本并不是一個獨立的個體, 它與所處的生態(tài)環(huán)境有著不可分割的聯(lián)系, 尤其是在北極地區(qū)這種水文環(huán)境復(fù)雜、變化劇烈的生態(tài)環(huán)境下。因此, 若想更加全面和準確地研究北極地區(qū)的海洋生物多樣性, 一些生態(tài)學(xué)方面的問題是必須要考慮的, 對于其中一些重要問題, 建議能給出一定的標(biāo)準或參考范圍, 能以相關(guān)參數(shù)的形式納入到結(jié)果分析中。在利用eDNA方法研究北極地區(qū)生物多樣性的問題時, 需要重點考慮的生態(tài)問題包括以下兩點: 1)了解調(diào)查區(qū)域的生態(tài)類型及其特征, 北極地區(qū)包括的海洋區(qū)域廣泛, 中心北冰洋和其周邊海域的環(huán)境特征差異較大, 溫度、鹽度、pH值、水動力(潮汐、洋流等)均有所不同, 因此, 在進行調(diào)查采樣時, 要對生態(tài)類型及其特征有一定的掌握, 不同生態(tài)環(huán)境條件下存在著不同的生物群落結(jié)構(gòu), 生物的多樣性也有可能展現(xiàn)出較大的差異, 增加對eDNA生態(tài)學(xué)的了解對于如何利用eDNA方法提升生物多樣性研究是非常重要的; 2)了解有機遺傳物質(zhì)與環(huán)境之間的交互效應(yīng), eDNA樣本是與水域環(huán)境直接接觸的, 沒有屏障存在, 有機遺傳物質(zhì)會與水域環(huán)境發(fā)生一定的交互效應(yīng), 了解交互效應(yīng)帶來的影響可以減少檢測結(jié)果與分析結(jié)果的誤差。

6. 如何與傳統(tǒng)的調(diào)查方法相結(jié)合

eDNA方法作為檢測水生生物的新方法, 從采樣到結(jié)果分析均存在不成熟和尚未明確的地方, 且北極海域海洋環(huán)境復(fù)雜, 不可控因素較多, 采用傳統(tǒng)調(diào)查方法與eDNA方法相結(jié)合的方式對北極地區(qū)海洋生物多樣性進行檢測是未來的發(fā)展方向, 新老方法相結(jié)合, 結(jié)果相互補充會使北極海洋生物多樣性的檢測結(jié)果更為全面, 但如何將eDNA方法與傳統(tǒng)調(diào)查方法有效結(jié)合也是我們需要面對的科學(xué)問題。綜合北極地區(qū)生態(tài)環(huán)境特點與eDNA方法的特點, 以下兩點是需要深入研究和探討的問題: 1)充分了解調(diào)查區(qū)域的環(huán)境, 設(shè)計與傳統(tǒng)站位相輔相成的采樣站位; 2)量化重要的海洋環(huán)境因子, 在空間和時間上進行一定的標(biāo)準化處理, 合理且有效地轉(zhuǎn)化eDNA檢測結(jié)果。

3 總結(jié)及展望

北極地區(qū)海洋生物多樣性研究是當(dāng)前國際上的研究熱點, 主要是由于北極地區(qū)周邊的部分海域在夏季會形成階段性的開闊水域, 進一步了解海洋生物多樣性可以進一步增加該海域未來可開發(fā)利用漁業(yè)資源的可能性, 同時北極地區(qū)以及周邊海域受到氣候變化的嚴重影響, 海洋生物的地理分布范圍、種類的遷移、是否存在潛在的新種、哪些魚類資源已經(jīng)具有商業(yè)開發(fā)價值等問題均需要基于生物多樣性的調(diào)查結(jié)果進行深入研究。但由于北極特殊的海洋環(huán)境, 連續(xù)性的作業(yè)較為困難, 采樣的方法也存在局限性, 發(fā)展創(chuàng)新技術(shù)開展調(diào)查, 才能獲取更多的海洋生物多樣性信息。

本文綜述了國內(nèi)外eDNA的研究現(xiàn)狀, 歸納了該方法的優(yōu)點與缺點, 結(jié)合北極地區(qū)海洋生物多樣性研究現(xiàn)狀, 分析了eDNA方法在北極地區(qū)海洋生物多樣性研究中的應(yīng)用潛力以及可能面臨的相關(guān)挑戰(zhàn), 認為在今后的研究中, eDNA可以作為重要的、新型的補充調(diào)查方法, 與傳統(tǒng)調(diào)查方法相結(jié)合, 研究北極地區(qū)的海洋生物多樣性, 通過長期監(jiān)測來分析北極地區(qū)海洋生物的分布格局、遷移變化以及對環(huán)境和氣候變化的響應(yīng)。尤其是針對北極地區(qū)的漁業(yè)資源, 因為魚類群落對氣候的響應(yīng)會顯著影響整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和多樣性, 引起區(qū)域漁業(yè)資源的演變, 這一類的相關(guān)研究成果可以為漁業(yè)資源評估與管理工作提供相關(guān)信息, 為我國更多介入北極事務(wù)提供話語權(quán), 并可積極有效維護我國在北極的長遠利益和潛在權(quán)益, 提高我國在未來國際極地事務(wù)中的影響力和決策力。此外, eDNA作為監(jiān)測水生生物多樣性的新方法, 若應(yīng)用到北極地區(qū)的海洋生物多樣性研究中, 一方面可以為北極地區(qū)生物多樣性的研究提供新的手段, 規(guī)避一些常規(guī)調(diào)查方法所帶來的局限性; 另一方面也可以使eDNA方法的廣泛適用性得到進一步發(fā)展。但在未來的應(yīng)用中, 如何進行采樣設(shè)計、如何與傳統(tǒng)的調(diào)查方法有效結(jié)合以及如何在考慮生態(tài)系統(tǒng)的特征下將調(diào)查結(jié)果合理轉(zhuǎn)化是需要嚴謹考慮和深入探究的問題。

1 REES H C, MADDISON B C, MIDDLEDITCH D J, et al. REVIEW: The detection of aquatic animal species using environmental DNA-a review of eDNA as a survey tool in ecology[J]. Journal of Applied Ecology, 2014, 51(5): 1450-1459.

2 BODIL B A, AMBROSE W G, BERGMANN M, et al. Diversity of the arctic deep-sea benthos[J]. Marine Biodiversity, 2011, 41(1): 87-107.

3 BLUHM B, GEBRUK A, GRADINGER R, et al. Arctic marine biodiversity: An update of species richness and examples of biodiversity change[J]. Oceanography, 2011, 24(3): 232-248.

4 HANSELL R I C, MALCOLM J R, WELCH H, et al. Atmospheric change and biodiversity in the arctic[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 1998, 49(2/3): 303-325.

5 WISZ M S, BROENNIMANN O, GR?NKJ?R P, et al. Arctic warming will promote Atlantic-Pacific fish interchange[J]. Nature Climate Change, 2015, 5(3): 261-265.

6 陳永俊, 林龍山, 廖運志, 等. 白令海和楚科奇海魚類種類組成及其對生態(tài)環(huán)境變化的響應(yīng)[J]. 海洋學(xué)報(中文版), 2013, 35(2): 113-125.

7 張然, 林龍山, 李淵, 等. 白令海魚類分類多樣性及魚類區(qū)系研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2019, 49(4): 52-61.

8 OGRAM A, SAYLER G S, BARKAY T. The extraction and purification of microbial DNA from sediments[J]. Journal of Microbiological Methods, 1987, 7(2/3): 57-66.

9 OLSEN G J, LANE D J, GIOVANNONI S J, et al. Microbial ecology and evolution: A ribosomal RNA approach[J]. Annual Review of Microbiology, 1986, 40(1): 337-365.

10 PACE N R, STAHL D A, LANE D J, et al. The analysis of natural microbial populations by ribosomal RNA sequences[M]//Advances in Microbial Ecology. Boston, MA: Springer, 1986: 1-55.

11 FIERER N, JACKSON R B. The diversity and biogeography of soil bacterial communities[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103(3): 626-631.

12 JOHNSON S S, HEBSGAARD M B, CHRISTENSEN T R, et al. Ancient bacteria show evidence of DNA repair[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2007, 104(36): 14401-14405.

13 WILLERSLEV E, HANSEN A J, R?NN R, et al. Long-term persistence of bacterial DNA[J]. Current Biology, 2004, 14(1): R9-R10.

14 FISHER M M, TRIPLETT E W. Automated approach for ribosomal intergenic spacer analysis of microbial diversity and its application to freshwater bacterial communities[J].Appl Environ Microbiol, 1999, 65(10): 4630-4636.

15 VENTER J C, REMINGTON K, HEIDELBERG J F, et al. Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea[J]. Science, 2004, 304(5667): 66-74.

16 WILLERSLEV E, HANSEN A J, BINLADEN J, et al. Diverse plant and animal genetic records from Holocene and Pleistocene sediments[J].Science,2003,300(5620): 791-795.

17 FICETOLA G F, MIAUD C, POMPANON F, et al. Species detection using environmental DNA from water samples[J]. Biology letters, 2008, 4(4): 423-425.

18 LYDOLPH M C, JACOBSEN J, ARCTANDER P, et al. Beringian paleoecology inferred from permafrost-preserved fungal DNA[J]. Appl Environ Microbiol, 2005, 71(2): 1012-1017.

19 HEBERT P D N, GREGORY T R. The promise of DNA barcoding for taxonomy[J]. Systematic Biology, 2005, 54(5): 852-859.

20 PILLIOD D S, GOLDBERG C S, ARKLE R S, et al. Factors influencing detection of eDNA from a stream-dwelling amphibian[J]. Molecular Ecology Resources, 2014, 14(1): 109-116.

21 TAKAHARA T, MINAMOTO T, DOI H. Using environmental DNA to estimate the distribution of an invasive fish species in ponds[J]. PLoS One, 2013, 8(2): e56584.

22 吳昀晟, 唐永凱, 李建林, 等. 環(huán)境DNA在長江江豚監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 中國水產(chǎn)科學(xué), 2019, 26(1): 124-132.

23 THOMSEN P F, KIELGAST J, IVERSEN L L, et al. Detection of a diverse marine fish fauna using environmental DNA from seawater samples[J]. PLoS One, 2012, 7(8): e41732.

24 FOOTE A D, THOMSEN P F, SVEEGAARD S, et al. Investigating the potential use of environmental DNA (eDNA) for genetic monitoring of marine mammals[J]. PLoS One, 2012, 7(8): e41781.

25 KELLY R P, PORT J A, YAMAHARA K M, et al. Using environmental DNA to census marine fishes in a large mesocosm[J]. PLoS One, 2014, 9(1): e86175.

26 KELLY R P, PORT J A, YAMAHARA K M, et al. Harnessing DNA to improve environmental management[J]. Science, 2014, 344(6191): 1455-1456.

27 THOMSEN P F, M?LLER P R, SIGSGAARD E E, et al. Environmental DNA from seawater samples correlate with trawl catches of subarctic, deepwater fishes[J]. PLoS One, 2016, 11(11): e0165252.

28 趙夢迪. 利用環(huán)境DNA分析冬季中國東黃海水域的魚類多樣性[D]. 上海: 上海海洋大學(xué), 2017.

29 RODGERS T W, OLSON J R, KLOBUCAR S L, et al. Quantitative PCR assays for detection of five arctic fish species: Lota lota, Cottus cognatus, Salvelinus alpinus, Salvelinus malma, and Thymallus arcticus from environmental DNA[J]. Conservation Genetics Resources, 2018, 10(4): 859-865.

30 LACOURSIèRE-ROUSSEL A, HOWLAND K, NORMANDEAU E, et al. eDNA metabarcoding as a new surveillance approach for coastal Arctic biodiversity[J]. Ecology and Evolution, 2018, 8(16): 7763-7777.

31 COWART D A, MURPHY K R, CHENG C C. Metagenomic sequencing of environmental DNA reveals marine faunal assemblages from the West Antarctic Peninsula[J]. Marine Genomics, 2018(37): 148-160.

32 單秀娟, 李苗, 王偉繼. 環(huán)境DNA(eDNA)技術(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進展[J].漁業(yè)科學(xué)進展,2018,39(3):23-29.

33 姜維, 趙虎, 鄧捷, 等. 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(5): 1-7.

34 DEINER K, WALSER J C, M?CHLER E, et al. Choice of capture and extraction methods affect detection of freshwater biodiversity from environmental DNA[J]. Biological Conservation, 2015(183): 53-63.

35 TAKAHARA T, MINAMOTO T, DOI H. Effects of sample processing on the detection rate of environmental DNA from the Common Carp (Cyprinus carpio)[J]. Biological Conservation, 2015(183): 64-69.

36 THOMSEN P F, WILLERSLEV E. Environmental DNA – An emerging tool in conservation for monitoring past and present biodiversity[J]. Biological Conservation, 2015(183): 4-18.

POTENTIAL USE OF ENVIRONMENTAL DNA METHODS IN ARCTIC MARINE FISH DIVERSITY RESEARCH

Wang Rui1, Lin Longshan1, Li Hai1, Zhang Ran1,2, Li Yuan1

(1Laboratory of Marine Biology and Ecology, Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Xiamen 361005, China;2College of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen 361002, China)

With the development of biotechnology, environmental DNA (eDNA) methods have become widely used in aquatic biodiversity research. Compared with traditional methods, eDNA methods can quickly detect species composition without damaging the biological samples and have the advantages of high sensitivity, saving time and labor saving, and preserving sample integrity. However, they are currently less widely used in polar marine biodiversity research. This article reviews the current status of eDNA methods, analyzes the advantages and disadvantages, considers the current status of marine fish biodiversity research in the Arctic, and discusses the potential of using eDNA methods in Arctic marine fish biodiversity research and the related challenges.

environmental DNA, Arctic region, fish biodiversity, application potential

2020年3月收到來稿, 2020年8月收到修改稿

國家自然科學(xué)基金(NSFC41876176)資助

王芮, 女, 1992年生。博士, 主要從事極地海洋生物資源評估工作。E-mail: wangrui@tio.org.cn

林龍山, E-mail: linlsh@tio.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20200018