湖泊沉積物DNA在氣候環(huán)境變化和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)研究中的應(yīng)用*

馬 睿，陳建徽**，劉建寶,，袁艷麗，周愛(ài)鋒，丁國(guó)強(qiáng)

(1:蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000) (2:中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所高寒生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

湖泊沉積具有分布廣泛、信息豐富、記錄連續(xù)的特點(diǎn)，可為氣候環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)演化提供良好的歷史檔案，因而是研究過(guò)去全球變化的重要途徑之一[1-2]. 通過(guò)湖泊沉積記錄研究氣候環(huán)境演化及生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的工作已廣泛開(kāi)展，研究者通過(guò)對(duì)不同類型代用指標(biāo)的分析以重建過(guò)去全球變化[3]，已取得較多研究成果[1]. 隨著湖泊沉積與環(huán)境演化研究工作的不斷展開(kāi)，傳統(tǒng)方法逐漸難以滿足學(xué)科深入發(fā)展的需求，新的技術(shù)不斷被引入研究中[3-4]，針對(duì)湖泊沉積物的DNA分析便為相關(guān)研究帶來(lái)了機(jī)遇與動(dòng)力. 與此同時(shí)，作為水生生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，湖泊具有重要的生態(tài)服務(wù)功能，而近年來(lái)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了顯著影響[5-6]，湖泊生態(tài)系統(tǒng)普遍面臨來(lái)自外界的壓力[7]. 多重壓力作用下，湖泊綜合狀態(tài)可能從根本上發(fā)生改變[8-9]，而不同區(qū)域湖泊狀態(tài)響應(yīng)人類活動(dòng)與氣候環(huán)境變化的過(guò)程、速度具有差異[10]，由此導(dǎo)致的生態(tài)效應(yīng)也并不相同，部分湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能急劇退化. 因此利用湖泊沉積物系統(tǒng)研究不同時(shí)間尺度上湖泊響應(yīng)人類活動(dòng)與氣候環(huán)境變化的過(guò)程、機(jī)制，以應(yīng)對(duì)當(dāng)今湖泊生態(tài)系統(tǒng)的可能轉(zhuǎn)變愈加重要，古湖沼學(xué)研究亦需要更豐富的信息與多維的視角以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足. 分子生物學(xué)的迅速發(fā)展無(wú)疑為上述研究提供了新的機(jī)遇，隨著學(xué)科交叉的發(fā)展與創(chuàng)新，高通量測(cè)序、熒光定量PCR等分子生物技術(shù)逐漸被應(yīng)用于湖泊沉積物DNA中，為氣候環(huán)境變化及生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)等研究作出重要貢獻(xiàn).

古DNA分析是一個(gè)年輕但發(fā)展迅速的技術(shù)，自1980s研究者從已滅絕生物遺骸中提取DNA進(jìn)行開(kāi)創(chuàng)性研究以來(lái)[11]，古DNA研究逐漸成為十分活躍的領(lǐng)域，在人類遷移、遺傳關(guān)系、文明演化、動(dòng)植物的馴化歷史及古生物群落結(jié)構(gòu)組成等方面取得了一系列進(jìn)展[12]，有效填補(bǔ)了現(xiàn)代DNA研究時(shí)間跨度較短的不足. 作為記錄生物遺傳信息的重要載體，DNA在古湖沼學(xué)研究中的潛力也逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)，Coolen等最早于1998年在加拿大Mahoney湖沉積物中針對(duì)硫氧化細(xì)菌DNA 片段開(kāi)展了研究[13]，自此針對(duì)遺傳物質(zhì)的分析逐漸被應(yīng)用到更多湖泊沉積記錄中，為古氣候、古環(huán)境及古生態(tài)研究提供了豐富的生物信息，取得了較新的科學(xué)認(rèn)識(shí).

湖泊沉積物中的DNA無(wú)疑為古湖沼學(xué)研究提供了更開(kāi)闊的視野. 由于部分生物不能在湖泊沉積物中保留可被鑒定的形態(tài)學(xué)特征，DNA便成為生物重要的記錄與檔案之一[14]. 此外，沉積物中的古DNA可記錄長(zhǎng)尺度生態(tài)系統(tǒng)演化過(guò)程，與其他指標(biāo)結(jié)合分析，可揭示氣候變化與人類活動(dòng)等多重因素驅(qū)動(dòng)下的湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化機(jī)制，并借助對(duì)氣候環(huán)境變化敏感的生物群落開(kāi)發(fā)新的氣候環(huán)境代用指標(biāo). 本文以保存在湖泊沉積物中的DNA為對(duì)象，介紹其保存特點(diǎn)與影響因素，并以湖泊沉積物DNA在氣候環(huán)境變化及生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)研究中的應(yīng)用進(jìn)展為重點(diǎn)進(jìn)行討論，就其目前面臨的挑戰(zhàn)做出總結(jié)，簡(jiǎn)單展望未來(lái)的發(fā)展方向.

1 湖泊沉積物中的DNA

湖泊沉積物蘊(yùn)藏著生活或曾經(jīng)生活在水體及流域的生物遺傳信息[15]，DNA保存程度與生物種類有密切關(guān)系. 在湖泊沉積物中，不同生物的DNA具有不同保存形式，既可保存在細(xì)胞內(nèi)部，也可存在于細(xì)胞外部，與有機(jī)質(zhì)或礦物基質(zhì)結(jié)合[16]，因此不同保存形式會(huì)對(duì)DNA產(chǎn)生影響. 例如，硅藻、溝鞭藻等生物具有較為堅(jiān)硬的細(xì)胞壁[17]，部分藍(lán)藻在休眠期可產(chǎn)生厚壁孢子，一些原生動(dòng)物可產(chǎn)生繁殖體[18]，這些特性使胞內(nèi)遺傳物質(zhì)得到物理保護(hù). 盡管保存在細(xì)胞內(nèi)部的生物DNA會(huì)在提取過(guò)程中遇到困難，但一般認(rèn)為已知可產(chǎn)生剛性細(xì)胞壁的類群也可在沉積物DNA分析中被發(fā)現(xiàn)[16]. 某些細(xì)胞外部的生物DNA可以與沉積物中的礦物和有機(jī)大分子結(jié)合，從而抑制核酸酶降解[19-20]. 相比之下，一些水生生物DNA因缺乏物理保護(hù)，如隱藻DNA僅被保存在細(xì)胞膜中，可能通過(guò)組織脫落、廢物代謝排出生物體[16]，易受外界影響，在湖泊沉積物中保存狀況較差[17]. 不同生物的遺傳物質(zhì)保存具有差異[15]，而這種差異可能會(huì)對(duì)后續(xù)分析產(chǎn)生影響，值得慎重考慮.

除了生物本身的特性，湖泊水文特征與沉積物理化特征、沉積物年齡及沉積過(guò)程也會(huì)影響DNA的保存. 水文條件封閉的湖泊具有保存沉積物DNA的良好條件，其受到外部擾動(dòng)較小，沉積物形成后的垂直運(yùn)動(dòng)與湖水動(dòng)力作用較弱，DNA保存環(huán)境較穩(wěn)定[16]. 深水湖泊比淺水湖泊更易產(chǎn)生穩(wěn)定層節(jié)，懸浮及再沉積過(guò)程不易發(fā)生，而缺氧環(huán)境亦有利于生物DNA的保存[19]. 湖泊沉積物的組成、理化性質(zhì)及孔隙水特征直接影響DNA，尤其是胞外DNA的保存[21]. 低溫、缺氧、干燥、高鹽度的環(huán)境有利于DNA的保存[22]，其中溫度、含氧程度不僅直接影響DNA保存，更間接影響核酸酶及微生物對(duì)DNA的分解與擾動(dòng)過(guò)程[23]，前人研究表明沉積物中微生物在降解有機(jī)質(zhì)時(shí)會(huì)消耗氧氣以創(chuàng)造出缺氧或無(wú)氧條件，弱化生物擾動(dòng)，有利于遺傳物質(zhì)的保存[24]. 寒冷、干旱地區(qū)的湖泊沉積物DNA具有相對(duì)良好的保存條件，但熱帶及溫帶地區(qū)湖泊沉積物中成功進(jìn)行的古DNA分析表明，只要條件適宜，溫暖、濕潤(rùn)地區(qū)的湖泊沉積物亦可利用DNA分析進(jìn)行相關(guān)研究[25-26].

年代較老的湖泊沉積物所保留的DNA含量較低，易被降解成較小片段[23]，而DNA損傷與湖泊沉積物年齡也有關(guān)，沉積物老化往往導(dǎo)致DNA損傷增加(雙鏈斷裂、堿基錯(cuò)配、DNA交聯(lián)損傷)，造成后續(xù)分析的困難. 但年代限制并不絕對(duì)，Golenberg等從距今17百萬(wàn)～20百萬(wàn)年的古老湖相沉積物中提取DNA并對(duì)光合作用基因序列進(jìn)行了擴(kuò)增與測(cè)序[27]，表明在良好埋藏條件下湖泊沉積物中古DNA的長(zhǎng)時(shí)間保存是有可能的. 古生物死亡后，遺體成為沉積物的一部分，隨著沉積物積累而被壓實(shí)，從而允許研究者利用地質(zhì)年代方法建立古生物記錄[28]. 沉積物形成的過(guò)程有可能對(duì)生物DNA造成影響，水解、酶解、氧化及外部擾動(dòng)等過(guò)程將直接造成DNA雙螺旋主鏈斷裂及降解[23]，沉積物形成后可能的懸浮、再沉積過(guò)程也有可能擾動(dòng)古DNA，并將現(xiàn)代DNA帶入湖泊沉積物. 此外，遺傳物質(zhì)在沉積物中的遷移往往使胞外DNA分析結(jié)果變得復(fù)雜，在一些洞穴沉積物中可觀察到DNA在垂直方向的遷移或浸出[29]. 但前人研究表明湖泊沉積物中DNA遷移和浸出可能性較小[30]，許多湖泊沉積記錄中進(jìn)行的古DNA研究都是有力的證據(jù)[31-32]. 這正是湖泊沉積物保存DNA的優(yōu)勢(shì)所在：湖泊沉積物中水的重力滲透很難發(fā)生，當(dāng)沉積物被壓實(shí)時(shí)，孔隙水垂直平流十分微弱，沉積物中的物質(zhì)得以被固定在基質(zhì)中，胞外DNA附著在固相沉積物(如顆粒、微粒有機(jī)物)上從而被保護(hù)[30].

由湖泊沉積物中DNA上述特點(diǎn)可知，選擇適宜的研究對(duì)象進(jìn)行古DNA研究至關(guān)重要，研究前需要綜合考慮區(qū)域環(huán)境、沉積物特點(diǎn)及目標(biāo)生物DNA特征[17]. 我國(guó)湖泊數(shù)量眾多、類型多樣且分布廣泛，許多湖泊具有保存沉積物DNA的良好條件，因而吸引了研究者的廣泛關(guān)注與興趣. 在世界范圍內(nèi)，針對(duì)湖泊沉積物中生物DNA的研究也已廣泛開(kāi)展[16](圖1)，主要研究如表1所示，獲得了許多較有價(jià)值的研究成果，并表現(xiàn)出較大的發(fā)展?jié)摿?

圖1 近年已開(kāi)展沉積物DNA研究的湖泊Fig.1 The distribution of lakes that have conducted sediment DNA research

2 DNA分析的優(yōu)勢(shì)

湖泊沉積物中保存著大量的生物化石，通過(guò)孢粉、搖蚊、硅藻、介形蟲等代用指標(biāo)分析可開(kāi)展古氣候、古環(huán)境及古生態(tài)重建工作[65]. 傳統(tǒng)生物指標(biāo)主要建立在形態(tài)學(xué)鑒定的基礎(chǔ)上，然而形態(tài)學(xué)方法鑒定分辨率較低，通過(guò)DNA記錄可有效提高鑒定分辨率. 前人研究表明，湖泊沉積物古DNA分析結(jié)果與形態(tài)學(xué)鑒定結(jié)果具有良好一致性，DNA分析可將生物鑒定水平提升至種、亞種[16]，來(lái)自遺傳學(xué)水平的信息可揭示形態(tài)學(xué)鑒定所不能觀察到的種間和種內(nèi)變異[31]. 更重要的是，許多不能以化石形式保存在湖泊沉積物中的生物類群(例如微生物和多數(shù)浮游植物)往往也蘊(yùn)含了豐富的氣候環(huán)境信息，它們難以通過(guò)傳統(tǒng)方法獲得，卻可通過(guò)DNA記錄被鑒定[17]，對(duì)沒(méi)有脂類化合物和化石記錄的病毒來(lái)說(shuō)，古DNA分析更獨(dú)具優(yōu)勢(shì)[66].

表1 針對(duì)湖泊沉積物DNA的部分研究

傳統(tǒng)古生態(tài)研究集中關(guān)注特定生物種群，而單一種群指標(biāo)難以解釋群落變化所造成的生物多樣性和生物網(wǎng)絡(luò)變化，更難以揭示生態(tài)系統(tǒng)演化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)要素與機(jī)制[67]. 此外，群落結(jié)構(gòu)不僅影響生態(tài)系統(tǒng)抵抗力穩(wěn)定性與恢復(fù)力穩(wěn)定性，還可影響生態(tài)系統(tǒng)彈性[64]. 因此，湖泊沉積物中的DNA記錄填補(bǔ)了長(zhǎng)尺度古生態(tài)數(shù)據(jù)缺乏的不足，在提供遺傳信息的同時(shí)關(guān)注不同生物類群，以群落視角記錄生態(tài)系統(tǒng)演化[68].

DNA分析不僅拓展了生物類群的研究范圍，還可對(duì)重要的功能基因進(jìn)行研究，如通過(guò)葉綠體rbcL基因序列及氨氧化古菌amoA基因序列[48,69]，可獲得更多關(guān)于湖泊及流域物質(zhì)循環(huán)的信息；而微囊藻毒素編碼基因有助于揭示藻類群落中有毒藍(lán)藻的動(dòng)態(tài)及演變機(jī)制[70]. 這是傳統(tǒng)古氣候、古環(huán)境研究較少關(guān)注的內(nèi)容，而DNA記錄可為此提供來(lái)自遺傳學(xué)視角的信息[66]. 例如Coolen等利用湖泊沉積物中的脂類物質(zhì)追蹤了全新世以來(lái)藻類群落演變，古DNA分析表明脂類物質(zhì)來(lái)自6種不同基因型的藻類[71]，而不同藻類基因豐度變化受控于湖泊環(huán)境的變化，這是單獨(dú)使用生物標(biāo)志化合物指標(biāo)難以獲得的信息.

3 湖泊沉積物DNA分析的應(yīng)用

3.1 重建古氣候與古環(huán)境

圖2 庫(kù)賽湖PI指標(biāo)與紋層溫度指標(biāo)的 對(duì)比(修改自文獻(xiàn)[49-50])Fig.2 The comparison of temperature record from phytoplankton index and varve-based paleo-temperature record in Lake Kusai (modified from literatures [49-50])

湖泊中部分生物對(duì)氣候環(huán)境變化十分敏感(如某些浮游植物與微生物)，因此具有記錄氣候環(huán)境變化的能力，是重建古氣候、古環(huán)境的重要載體[16]. 古湖沼學(xué)研究中常通過(guò)樣本訓(xùn)練集和轉(zhuǎn)換函數(shù)的建立以推斷過(guò)去的氣候及環(huán)境條件，而湖泊沉積物中的DNA允許研究者關(guān)注更廣泛的生物類群，尤其是無(wú)法通過(guò)化石被記錄的生物，為定量、半定量重建古氣候及古環(huán)境帶來(lái)新的機(jī)遇. Li等通過(guò)青海湖沉積物中浮游植物古DNA記錄重建了過(guò)去18500 a青海湖氣候及環(huán)境演變歷史，基于浮游植物的不同溫度適應(yīng)范圍，將其劃分為喜寒和喜暖兩種類別，以其比值定義了藻類溫度指標(biāo)PI(phytoplankton index)[49]，通過(guò)該指標(biāo)重建的溫度變化與An等重建的夏季風(fēng)記錄吻合良好[72]. 相比其他溫度記錄，浮游植物對(duì)溫度變化更為敏感，因此PI指標(biāo)能記錄小幅度的溫度波動(dòng). 為了進(jìn)一步驗(yàn)證浮游植物溫度指標(biāo)，研究者將其應(yīng)用于庫(kù)賽湖沉積物的古DNA記錄中，結(jié)果表明庫(kù)賽湖PI指標(biāo)所記錄的溫度變化與通過(guò)沉積紋層重建的溫度記錄吻合較好(圖2)[73].

湖泊沉積物中的古DNA不僅能夠追蹤特定的生物類群，更可從功能基因的視角記錄氣候環(huán)境變化. 氨氧化古菌在湖泊及流域氮循環(huán)過(guò)程中扮演著重要角色，前人研究表明氨氧化古菌amoA基因豐度受鹽度、pH、氨濃度、溫度、營(yíng)養(yǎng)狀況、水深等湖沼條件的影響[74-81]，而其與環(huán)境因素間的相關(guān)性為重建古環(huán)境提供了可能. Yang等基于氨氧化古菌amoA基因豐度與環(huán)境因素的關(guān)聯(lián)重建了青海湖1.8萬(wàn)年來(lái)的營(yíng)養(yǎng)水平與鹽度的變化歷史，其研究表明較強(qiáng)的東亞夏季風(fēng)和充沛降水導(dǎo)致的湖泊高營(yíng)養(yǎng)水平會(huì)抑制氨氧化古菌生長(zhǎng)，而干燥和寒冷導(dǎo)致的低營(yíng)養(yǎng)水平則促進(jìn)其生長(zhǎng)[48]. 因此，氨氧化古菌DNA記錄具有重建湖泊營(yíng)養(yǎng)水平、鹽度及水位變化的能力，古菌DNA重建的湖泊營(yíng)養(yǎng)水平與沉積物地球化學(xué)記錄有較好一致性(圖3).

3.2 探索外源驅(qū)動(dòng)下生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程

古DNA能夠以比形態(tài)學(xué)鑒定更高的分辨率廣泛追蹤不同生物類群，為研究陸地、水生生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候環(huán)境變化及人類活動(dòng)的響應(yīng)提供了更開(kāi)闊的視野，有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)演變的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)要素與機(jī)制[16].

在6T30、6T40、6F35變速器的3-5-R離合器內(nèi)，其作用油路和平衡補(bǔ)償油路由輸入軸定位套上的油環(huán)來(lái)隔開(kāi)(圖9和圖10)，它們之間不能相互交叉泄漏。如圖10所示，輸入軸定位上有3個(gè)油路開(kāi)口，分別是3-5-R離合器結(jié)合油路、4-5-6離合器結(jié)合油路、3-5-R離合器平衡補(bǔ)償油路，由4個(gè)油環(huán)分隔開(kāi)，一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)部位在維修時(shí)都需要更換原廠的密封油環(huán)，以防止此處的交叉泄漏。

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候環(huán)境變化的響應(yīng) 在缺乏長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)沉積記錄研究湖泊及流域生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)去氣候環(huán)境變化過(guò)程具有重要的科學(xué)與現(xiàn)實(shí)意義. Hou等利用DGGE 結(jié)合克隆測(cè)序技術(shù)研究了青藏高原庫(kù)賽湖浮游植物群落演變[50]，沉積物DNA記錄與古氣候、古環(huán)境指標(biāo)的對(duì)比分析表明浮游植物可敏感響應(yīng)氣候及湖泊狀態(tài)變化，聚球藻和球等鞭金藻兩種主要類群相對(duì)豐度均受亞洲季風(fēng)影響：聚球藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)水平變化反應(yīng)快，適合生存于高鹽分、高營(yíng)養(yǎng)水平的環(huán)境中，球等鞭金藻則與之相反，而季風(fēng)通過(guò)影響外源輸入改變湖泊營(yíng)養(yǎng)水平與鹽度，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)庫(kù)賽湖浮游植物群落的演變. 筆者通過(guò)沉積物DNA記錄研究了位于季風(fēng)邊緣區(qū)高山湖泊公海中的浮游植物群落，結(jié)果亦表明浮游植物群落演變受到東亞夏季風(fēng)影響，主要浮游植物聚球藻 (Synechococcussp.)與受控于東亞夏季風(fēng)的流域化學(xué)風(fēng)蝕指數(shù)(CIA)具有良好一致性[82].

微生物群落也可以敏感響應(yīng)氣候及環(huán)境變化，因而成為記錄生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的良好載體. Ahmed等利用宏基因組測(cè)序與古菌細(xì)胞膜脂質(zhì)對(duì)瑞典南部湖泊沉積物中的古菌群落進(jìn)行了研究，結(jié)果表明古菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性與水溫、湖冰覆蓋時(shí)間及湖泊沉積過(guò)程等因素有關(guān)，新仙女木至全新世過(guò)渡時(shí)期古菌多樣性的顯著增加與湖泊沼澤化有關(guān)[83]. 結(jié)合有機(jī)質(zhì)含量及水溫、脂類生物標(biāo)記物等記錄，研究者分析了古菌群落對(duì)氣候和湖泊狀態(tài)變化的不同響應(yīng)過(guò)程及機(jī)制，發(fā)現(xiàn)古菌群落結(jié)構(gòu)的微小變化雖然與氣候有關(guān)，但受湖泊沼澤化的影響更明顯. 湖泊中細(xì)菌群落在有機(jī)質(zhì)分解和碳、氮、磷等主要元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著關(guān)鍵作用，Zhang等使用高通量測(cè)序技術(shù)和冗余分析揭示了博斯騰湖沉積物中細(xì)菌群落的時(shí)空變化及其與環(huán)境因素間的關(guān)聯(lián)，研究了細(xì)菌群落在湖泊營(yíng)養(yǎng)程度和鹽度、溫度共同影響下的演變及機(jī)制[44]. 其研究表明博斯騰湖中細(xì)菌群落存在明顯的季節(jié)變化且具有空間特異性，溫度和營(yíng)養(yǎng)狀況是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因素，細(xì)菌可通過(guò)調(diào)節(jié)群落結(jié)構(gòu)以應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化.

湖泊沉積物接受了來(lái)自流域的外源輸入物質(zhì)，因此也可記錄陸地生態(tài)系統(tǒng)演化. Voldstad等研究了斯瓦爾巴特群島北部Jodavannet湖沉積物中的古DNA，結(jié)合地球化學(xué)指標(biāo)，分析了末次冰消期以來(lái)流域植被群落結(jié)構(gòu)及生物多樣性對(duì)氣候和環(huán)境變化的響應(yīng)，結(jié)果表明全新世以來(lái)區(qū)域植被群落趨于穩(wěn)定且喜熱植被明顯增加[61]. 現(xiàn)代記錄中喜熱植物存在于流域之外的山谷中，表明喜熱植物在全新世的分布范圍比現(xiàn)代更廣. 研究者認(rèn)為在全球氣候變暖的作用下，喜熱植物的擴(kuò)張可能會(huì)對(duì)北極地區(qū)競(jìng)爭(zhēng)力較弱的喜寒物種構(gòu)成威脅，造成生物多樣性降低[61].

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng) 19世紀(jì)中葉以來(lái)，人類活動(dòng)逐漸成為一種重要的地質(zhì)營(yíng)力，對(duì)自然環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生著深刻的影響[86]. 研究人類活動(dòng)影響下生態(tài)系統(tǒng)與氣候環(huán)境相互作用的過(guò)程，可為當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與治理提供借鑒，以預(yù)測(cè)、應(yīng)對(duì)多重壓力作用下生態(tài)系統(tǒng)可能發(fā)生的突變. 然而歷史生態(tài)數(shù)據(jù)的缺乏限制了研究者對(duì)上述問(wèn)題的深入理解，湖泊沉積物中的DNA記錄則為揭示氣候、人類活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)間相互作用提供了新的方法.

DNA記錄可從遺傳學(xué)視角評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)演化，深入研究生物遺傳多樣性演變機(jī)制. Lendvay等對(duì)比了湖泊沉積物中保存的云杉古DNA及其現(xiàn)代DNA，結(jié)合花粉化石進(jìn)一步研究了全新世以來(lái)云杉遺傳多樣性演變，結(jié)果表明人類對(duì)流域森林植被的砍伐始于晚全新世并在二十世紀(jì)初達(dá)到最大規(guī)模，造成云杉遺傳多樣性顯著降低[52]. 植樹(shù)造林及砍伐森林對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響是復(fù)雜的，Sj?gren等通過(guò)蘇格蘭兩個(gè)湖泊沉積物中的古DNA研究了流域植被群落演變，結(jié)果表明在誤差范圍內(nèi)沉積物中外來(lái)樹(shù)種DNA出現(xiàn)時(shí)間與區(qū)域大范圍人為造林時(shí)間非常吻合[87]. 植物DNA記錄揭示了1960-2010年間流域植被從灌木叢到針葉林的過(guò)渡，與歷史記錄中人類種植針葉植被的時(shí)間吻合. 此外，人為疏松表土在改造土壤的同時(shí)也加劇了流域侵蝕程度.

Giguet-Covex等以法國(guó)北部的Anterne湖為研究對(duì)象，基于湖泊沉積物中的生物DNA重建了新石器時(shí)代以來(lái)流域生態(tài)系統(tǒng)演化[37]. 結(jié)果表明流域侵蝕最嚴(yán)重的鐵器時(shí)代晚期、羅馬時(shí)期，植被DNA含量減少而牛羊等哺乳動(dòng)物DNA含量增加(圖4)，表明此時(shí)放牧活動(dòng)十分活躍. 研究者認(rèn)為人類活動(dòng)是導(dǎo)致該時(shí)期區(qū)域侵蝕事件頻發(fā)的主要因素：人類砍伐植被改變地表景觀，放牧可壓實(shí)土壤、分離土壤顆粒，植被覆蓋率的降低與動(dòng)物踐踏加劇了流域侵蝕程度. 沉積物DNA記錄證實(shí)了人類畜牧活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的影響，揭示了不同氣候環(huán)境條件下人類與生態(tài)系統(tǒng)間的復(fù)雜作用.

圖4 Anterne湖沉積物中動(dòng)物DNA、侵蝕事件、冰川記錄的對(duì)比(修改自文獻(xiàn)[37])Fig.4 The comparison of Bos sp. DNA and Ovis sp. DNA in sediments of Lake Anterne, erosion events and glacial records (modified from literature [37])

除了動(dòng)植物DNA，湖泊沉積物中細(xì)菌DNA也可為研究人類活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用提供支持. Madeja研究了波蘭東北部anskie湖泊沉積物中人類特異性擬桿菌HF 183的DNA序列，結(jié)合沉積物孢粉記錄，探討了人類活動(dòng)對(duì)湖泊狀態(tài)和流域植被的影響[40]. 研究結(jié)果表明這種人類特異性細(xì)菌DNA最早出現(xiàn)于公元650年左右，這一時(shí)期湖泊周圍開(kāi)始有人類定居，孢粉分析顯示此時(shí)農(nóng)作物花粉明顯增加，而此前流域植被群落演變則受到人類活動(dòng)以外其他因素的影響. 研究者認(rèn)為保存在湖泊沉積物中的人類特異性遺傳標(biāo)記物可以提供有價(jià)值的信息以探索湖泊及流域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)(如植被演化、土壤侵蝕及養(yǎng)分變化等). 與植被孢粉記錄相比，細(xì)菌DNA更能及時(shí)、準(zhǔn)確記錄人類活動(dòng)歷史及其對(duì)湖泊、流域生態(tài)系統(tǒng)的影響[40].

4 挑戰(zhàn)與風(fēng)險(xiǎn)

針對(duì)湖泊沉積物的DNA分析為研究氣候環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)演化提供了新的方法，但現(xiàn)階段仍存在若干技術(shù)問(wèn)題. 我們認(rèn)為當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：

1)湖泊沉積物中DNA的保存與降解問(wèn)題. 在一些年代較老的沉積物中，遺傳物質(zhì)已降解為較短片段，且DNA含量較低，部分生物的遺傳信息甚至不能被保存，對(duì)開(kāi)展后續(xù)分析造成了很大挑戰(zhàn). 即使DNA保存環(huán)境良好，生物擾動(dòng)、湖泊水動(dòng)力變化依然會(huì)損壞遺傳物質(zhì). 因此，在進(jìn)行古DNA研究之前，評(píng)估DNA降解情況以確保記錄可靠性至關(guān)重要. 目前，對(duì)部分生物可通過(guò)其基因拷貝數(shù)與特異性標(biāo)記物含量的相關(guān)性來(lái)評(píng)估DNA降解情況，長(zhǎng)鏈烯酮含量與其產(chǎn)生者基因拷貝數(shù)之間的相關(guān)性常被用來(lái)評(píng)價(jià)古DNA的可靠性[12]. Hou等在青藏高原北部庫(kù)賽湖的研究表明，沉積物中長(zhǎng)鏈不飽和烯酮含量與其產(chǎn)生者的基因拷貝數(shù)具有良好相關(guān)性[50]；Coolen等的研究表明晚全新世浮游植物古DNA含量與其產(chǎn)生的特異性長(zhǎng)鏈不飽和烯酮有很好的相關(guān)性[71]. 此外，好氧氨氧化古菌及其產(chǎn)生的特征性標(biāo)記物類異戊二烯、甲藻及其產(chǎn)生的甾醇間的相關(guān)性也可被用來(lái)評(píng)估古DNA的保存程度[15].

2)湖泊沉積物DNA的提取問(wèn)題. 目前湖泊沉積物中古DNA 提取多采用土壤試劑盒提取樣品總DNA，能否有效釋放樣品DNA并進(jìn)行純化是影響DNA提取的關(guān)鍵因素[12]. 不同湖泊沉積物樣品的物理、化學(xué)性質(zhì)存在差異，因此DNA提取方法與效率也并不相同，常規(guī)的DNA提取流程并不適用于不同類型的沉積樣品及目標(biāo)DNA. 如何高效、準(zhǔn)確地提取不同性質(zhì)樣品中的目的DNA是值得重視的問(wèn)題，因此需針對(duì)樣品及目的DNA研究可行的實(shí)驗(yàn)方法.

3)目的DNA的識(shí)別與潛在污染. 湖泊中沉積物不斷與水體、生物進(jìn)行著物質(zhì)循環(huán)與交換，如何從動(dòng)態(tài)的湖泊生態(tài)系統(tǒng)中識(shí)別出目標(biāo)體系DNA及生物類群，從而避免后期實(shí)驗(yàn)污染及其他體系DNA的交叉干擾是至關(guān)重要的問(wèn)題. 由于現(xiàn)代DNA在環(huán)境中普遍存在，應(yīng)從采樣開(kāi)始就采取嚴(yán)格的預(yù)防措施以避免污染. 單一策略難以有效規(guī)避所有潛在污染源，如環(huán)境污染、交叉污染、基因提取和擴(kuò)增時(shí)的可能污染等，多種方法的結(jié)合可以最大程度地避免污染以獲得可靠信息[88-89]. 現(xiàn)有技術(shù)已提供一些良好的方法來(lái)確保實(shí)驗(yàn)的可靠性，如設(shè)置空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)組、重復(fù)實(shí)驗(yàn)、DNA示蹤等(表2). 在數(shù)據(jù)處理階段，當(dāng)出現(xiàn)可疑的結(jié)果時(shí)，必須謹(jǐn)慎對(duì)待.

4)學(xué)科交叉融合與創(chuàng)新的挑戰(zhàn). 目前針對(duì)生物DNA測(cè)序的研究方法與分析流程多是基于生物學(xué)研究需求所建立，而在學(xué)科交叉與融合的發(fā)展過(guò)程中，原有的生物學(xué)研究方法、分析流程與相關(guān)指標(biāo)并不完全適合地理學(xué)的學(xué)科特征與研究需求. 隨著未來(lái)學(xué)科交叉滲透的不斷深入，在沉積物DNA研究中應(yīng)當(dāng)建立適宜的數(shù)據(jù)分析體系、指標(biāo)以促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展.

5 展望與發(fā)展

湖泊沉積物具有保存生物遺傳信息的適宜條件，是進(jìn)行DNA分析的良好對(duì)象. 湖泊沉積物中的DNA記錄為氣候環(huán)境變化與生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)研究帶來(lái)了新的機(jī)遇[16]，擴(kuò)大了研究生物的范圍并提供豐富的信息，有助于研究微體生物化石不能記錄的關(guān)鍵生物類群和重要生態(tài)過(guò)程，從遺傳學(xué)層面揭示生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候環(huán)境變化及人類活動(dòng)的響應(yīng)過(guò)程. 我們認(rèn)為未來(lái)針對(duì)湖泊沉積物中DNA的研究有望在以下幾個(gè)方面取得發(fā)展：

1)環(huán)境DNA分析結(jié)合復(fù)活生態(tài)學(xué)以評(píng)估外界環(huán)境變化對(duì)單個(gè)物種基因型和表型的影響. 大多數(shù)古DNA研究缺乏對(duì)基因型與表型的分析，盡管基因組學(xué)可提供相關(guān)研究機(jī)會(huì)，但種群水平分析的分辨率較低且難以研究表型和生物適應(yīng)的具體變化[90]. 復(fù)活生態(tài)學(xué)與古DNA分析的結(jié)合則將種群遺傳基因及表型轉(zhuǎn)變與外在環(huán)境變化聯(lián)系起來(lái)，研究氣候環(huán)境變化和人類影響下生物遺傳多樣性變化的速率和幅度，闡明在面對(duì)多種壓力時(shí)生物的適應(yīng)過(guò)程.

2)對(duì)生物入侵及機(jī)制的理解. 傳統(tǒng)古湖沼學(xué)方法難以深入研究入侵物種對(duì)湖泊及流域生態(tài)系統(tǒng)的影響及機(jī)制. DNA分析可展現(xiàn)包括動(dòng)物、植物和病原體等多種入侵生態(tài)系統(tǒng)的生物[91-92]. 此類研究不僅可以重建生物入侵歷史，更可揭示其動(dòng)力學(xué)機(jī)制以幫助研究者預(yù)測(cè)復(fù)雜情況下生物入侵引起的生態(tài)效應(yīng).

表2 湖泊沉積物DNA分析的主要步驟、風(fēng)險(xiǎn)和可能的預(yù)防措施(修改自文獻(xiàn)[16])

3)對(duì)歷史生物多樣性及生物網(wǎng)絡(luò)的研究. 針對(duì)生物多樣性及生物網(wǎng)絡(luò)的分析有助于深入研究生物群落間相互作用及其演變機(jī)制. 網(wǎng)絡(luò)分析可識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)中的重要生物，進(jìn)而針對(duì)性地研究關(guān)鍵類群，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究生物種內(nèi)及種間關(guān)系[93]. 湖泊沉積物DNA所蘊(yùn)含的生物信息使其具有洞察群落內(nèi)部作用的潛力，而現(xiàn)有的古生態(tài)研究在多樣性與生物網(wǎng)絡(luò)方面較為匱乏.

4)探索新的代用指標(biāo)定量重建古氣候、古環(huán)境演化歷史. 古DNA記錄允許研究者關(guān)注更廣泛的生物群落以建立新的代用指標(biāo)[94]，如可以反映湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)且DNA保存良好的纖毛蟲[95-96]. 此外，古DNA記錄揭示了部分隱藏在生物形態(tài)學(xué)背后的變異及遺傳多樣性[31]，與傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)鑒定相結(jié)合，有助于提高轉(zhuǎn)換函數(shù)準(zhǔn)確度，更全面地重建氣候、環(huán)境變化歷史[16]. 目前該方向研究較少，或與古DNA的保存及定量分析等問(wèn)題有關(guān)，但在未來(lái)有可能會(huì)幫助研究者獲得更好的古氣候、古環(huán)境代用指標(biāo).

5)多組學(xué)整合分析以深入探索科學(xué)問(wèn)題. 隨著高通量測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，對(duì)不同層次、類型生物數(shù)據(jù)的獲取、分析方法日趨成熟，而多組學(xué)相互促進(jìn)、驗(yàn)證的研究方法也逐漸成為分子生物學(xué)的重要技術(shù)[97]. 通過(guò)研究生物體內(nèi)不同組分的結(jié)構(gòu)及特定條件下彼此間的相互作用，可分析外界干擾下生物內(nèi)部應(yīng)對(duì)過(guò)程與機(jī)制. 在利用湖泊沉積物開(kāi)展生物地球化學(xué)研究的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)積極嘗試代謝組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等多組學(xué)結(jié)合的研究方法，深入開(kāi)展科學(xué)研究與探索.

湖泊沉積物中的DNA記錄有助于解決許多令人興奮的問(wèn)題，將湖泊沉積物DNA分析與傳統(tǒng)研究方法相結(jié)合，發(fā)展了氣候環(huán)境變化及生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)等研究的深度與廣度，有利于學(xué)科交叉的發(fā)展與創(chuàng)新. 為了獲得穩(wěn)健可靠的結(jié)論，在研究過(guò)程中應(yīng)當(dāng)采取嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)操作，謹(jǐn)慎解析數(shù)據(jù)，并參考其他指標(biāo)所提供的信息，根據(jù)科學(xué)問(wèn)題及研究重點(diǎn)展開(kāi)工作.

致謝：感謝蘭州大學(xué)博士研究生王強(qiáng)、呂飛亞、張姚以及碩士研究生劉言在本論文撰寫過(guò)程中的有益討論，特此致謝.