環(huán)境DNA技術(shù)在漁業(yè)資源生物量評(píng)估中的研究進(jìn)展: 現(xiàn)狀與展望

刁曹鋆, 王 聞, 線薇薇, 5, 張 輝, 5

環(huán)境DNA技術(shù)在漁業(yè)資源生物量評(píng)估中的研究進(jìn)展: 現(xiàn)狀與展望

刁曹鋆1, 2, 王 聞3, 4, 線薇薇1, 2, 5, 張 輝1, 2, 5

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所, 山東 青島 266100; 4. 山東省海洋儀器儀表科技中心有限公司, 山東 青島 266100; 5. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071)

近年來(lái), 由于過(guò)度頻繁的人類活動(dòng), 導(dǎo)致全球漁業(yè)資源正遭受威脅。與傳統(tǒng)漁業(yè)評(píng)估方法相比, 環(huán)境DNA(eDNA)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、侵入性低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn), 因而在漁業(yè)資源評(píng)估中應(yīng)用廣泛。eDNA技術(shù)在物種豐度和生物量評(píng)估中已經(jīng)被證明是可行的, 本文總結(jié)了eDNA技術(shù)在漁業(yè)資源生物量評(píng)估中的研究現(xiàn)狀, 從eDNA技術(shù)與傳統(tǒng)方法互補(bǔ)性、eDNA濃度影響因素及模型、生物量定量模型等方面展開(kāi)闡述, 并對(duì)以后的研究方向提出新思路, 為eDNA技術(shù)在漁業(yè)資源生物量評(píng)估中應(yīng)用提供參考。

環(huán)境DNA; 漁業(yè)資源; 生物量評(píng)估; 生態(tài)保護(hù)

由于網(wǎng)箱養(yǎng)殖、過(guò)度捕撈等一系列人類活動(dòng), 導(dǎo)致全球漁業(yè)資源正在遭受威脅。因此, 調(diào)查漁業(yè)資源現(xiàn)狀并采取相應(yīng)措施勢(shì)在必行, 有效的漁業(yè)管理依賴于對(duì)物種的定性和定量評(píng)估。在過(guò)去的幾十年中, 水生生物的調(diào)查大多采用選擇性和侵入性的傳統(tǒng)方法, 包括直接觀察、拖網(wǎng)捕撈、陷阱誘餌、電氣捕魚(yú)、聲波測(cè)量等[1], 這些方法大多局限于商業(yè)物種和特定區(qū)域, 而且成本高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、難度較大, 一些魚(yú)類游動(dòng)快速且能掙脫漁網(wǎng), 使用傳統(tǒng)方法效率極低[2]。由于魚(yú)類對(duì)人類干擾敏感, 長(zhǎng)期使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行漁業(yè)資源評(píng)估, 不但會(huì)影響魚(yú)類生存, 而且會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境。

環(huán)境DNA(environmental DNA, eDNA)是指直接從環(huán)境樣本, 如土壤、沉積物、排泄物、空氣、水體等中獲得的遺傳物質(zhì), 不存在任何明顯的生物源物質(zhì)——是一種有效的、非侵入性的、易于標(biāo)準(zhǔn)化的方法[3]。這些環(huán)境中的遺傳物質(zhì)主要來(lái)源于線粒體DNA和核DNA, 包括脫落的腸細(xì)胞、皮膚細(xì)胞、尿液、粘液、卵子或精子等[4-5]。

環(huán)境DNA技術(shù)是指從環(huán)境樣本中直接提取DNA片段后進(jìn)行定性和定量研究[6]。在水生環(huán)境中, eDNA技術(shù)主要應(yīng)用于單一物種定性分析, 物種多樣性研究以及生物量定量評(píng)估等方面, 具有操作簡(jiǎn)便、侵入性低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn), 在漁業(yè)資源評(píng)估中應(yīng)用廣泛。

eDNA技術(shù)早期應(yīng)用于研究環(huán)境微生物[7]; Ficetola等[8]首次將其應(yīng)用到大型水生生物中——追蹤水體中入侵的美國(guó)牛蛙; 隨后, 利用eDNA技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)種的監(jiān)測(cè)取得了一定進(jìn)展, 包括追蹤入侵物種[8-10]、監(jiān)測(cè)瀕危物種[11-13]等。一方面, 物種入侵導(dǎo)致生物多樣性喪失、生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列問(wèn)題, 另一方面, 利用傳統(tǒng)方法很難檢測(cè)到低濃度物種, 因此, eDNA技術(shù)的推廣可以有效提高物種檢出率。隨著eDNA技術(shù)日益成熟, eDNA技術(shù)的應(yīng)用從單一物種的檢測(cè)逐漸過(guò)渡到探索生物多樣性, 人們對(duì)湖泊、河流等淡水系統(tǒng)的研究日趨成熟[14], 海洋等開(kāi)放水體也逐漸成為重點(diǎn)研究對(duì)象, Thomsen等[15]首次將高通量測(cè)序應(yīng)用到海洋生物多樣性的研究中, 在丹麥海水樣品中檢測(cè)到傳統(tǒng)方法難以檢測(cè)到的稀有種以及四種鳥(niǎo)類。由于eDNA技術(shù)易操作、準(zhǔn)確性高, 因而被運(yùn)用到越來(lái)越多的研究中, 包括物種生活史[16]、種群遺傳多樣性及群落能量流動(dòng)[17]等領(lǐng)域。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)也逐漸開(kāi)展相關(guān)研究, 主要集中在長(zhǎng)江中下游及東部沿海區(qū)域。劉軍等[18]篩選出適用于eDNA研究的魚(yú)類通用引物, 表明16S rRNA適用于魚(yú)類群落結(jié)構(gòu)的研究; 李苗等[19]建立并優(yōu)化了基于eDNA的中國(guó)對(duì)蝦生物量評(píng)估的檢測(cè)技術(shù); 徐念等[20]在長(zhǎng)江中下游利用eDNA技術(shù)檢測(cè)到15種魚(yú)類; Zhang等[21]利用eDNA技術(shù)首次在長(zhǎng)江口及鄰近海域監(jiān)測(cè)魚(yú)類群落, 研究表明, 魚(yú)類群落在不同季節(jié)間存在顯著差異; 在此基礎(chǔ)上, Jia等[22]調(diào)查了長(zhǎng)江口魚(yú)類群落年度變化, 結(jié)果與之前一致。目前, eDNA技術(shù)已檢測(cè)到水生生態(tài)系統(tǒng)中兩棲動(dòng)物、硬骨魚(yú)類[23]以及海洋哺乳動(dòng)物[24]等不同物種組成, 證明eDNA技術(shù)可以作為生物監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充工具, 應(yīng)用于不同時(shí)間和空間尺度上水生生物的生態(tài)研究和漁業(yè)管理。此外, 陳治等[25]優(yōu)化了高濁度水樣eDNA的獲取方法; 張輝和線薇薇開(kāi)發(fā)了一種收集海水中eDNA的裝置[26], 為水樣采集及eDNA提取提供了借鑒參考, 推動(dòng)了eDNA技術(shù)的發(fā)展。

1 環(huán)境DNA的操作流程

eDNA的操作流程(圖1)主要分為4個(gè)步驟: 水樣采集、eDNA樣品收集、eDNA提取和eDNA檢測(cè)。

圖1 eDNA的操作流程

1.1 水樣采集

水樣采集需要考慮采樣水深、樣本體積及樣本重復(fù)等問(wèn)題, 通常根據(jù)研究目的、水體質(zhì)量及目標(biāo)種豐度來(lái)考慮。大多數(shù)研究在采集水樣時(shí)選擇表層水, 而有些物種在不同生命階段、不同季節(jié)生活在不同水深[27]。因此, 在采集水樣前, 要對(duì)目標(biāo)種的產(chǎn)卵、覓食等時(shí)空季節(jié)分布進(jìn)行調(diào)查, 以及橫向與縱向相結(jié)合的方法采樣。一般來(lái)說(shuō), 采集的水樣體積為1～2 L[28], 如果目標(biāo)種分布范圍廣或豐度低, 應(yīng)該擴(kuò)大采樣范圍和水體體積[29]。為提高物種檢測(cè)率和降低實(shí)驗(yàn)偶然性, 每個(gè)水體通常采集3個(gè)樣本[15, 30]。

1.2 eDNA樣品收集

收集eDNA樣品的方法包括沉淀、離心和過(guò)濾[31]。當(dāng)水體體積較小時(shí), 樣品中eDNA濃度較高, 可以選擇沉淀法收集樣品[32]; 過(guò)濾能處理較大體積的水體, 收集到更多樣品, 因此, 一般采用過(guò)濾或離心過(guò)濾相結(jié)合的方法來(lái)收集eDNA樣品。根據(jù)濾膜材質(zhì)不同, 可以分為硝酸纖維素、混合纖維素酯、玻璃纖維、聚碳酸酯和尼龍過(guò)濾器等, 濾膜孔徑從0.2 μm到12 μm不等, 孔徑小的過(guò)濾器回收率高, 對(duì)生物量變化更敏感[33-34]。選擇合適的過(guò)濾器對(duì)量化魚(yú)類豐度起到重要作用[35], 其中, eDNA樣品收集中最常用的是0.7 μm玻璃纖維過(guò)濾器(圖2)。

對(duì)于一些較為偏遠(yuǎn)的采樣地, 可以選擇現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾, 防止水樣在運(yùn)輸過(guò)程中受到污染并降低成本; 對(duì)于渾濁度較高、采集體積大的水樣, 選擇實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾, 在避光、無(wú)菌條件下將水樣從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室, 運(yùn)輸過(guò)程中可以使用乙醇[36]保存以減少污染, 為了防止DNA降解, eDNA樣品收集后一般于?20 ℃儲(chǔ)存。

1.3 eDNA提取

eDNA提取包括鹽提法[33]、液相分離法(即十六烷基三甲基溴化鎳(CTAB)提取法和苯酚-氯仿-異戊醇(PCI)提取法)和試劑盒提取法[37](圖3)。盡管試劑盒的成本較高, 但試劑盒提取法操作簡(jiǎn)單且便于回收[38], 能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化和高通量, 因此, 試劑盒提取是eDNA提取的主要方法, 目前使用的DNA提取試劑盒包括DNeasy Blood and Tissue Kit、PowerWater DNA Isolation Kit、PowerSoil DNA Isolation Kit和Gmax Mini genomic DNA kit等, 其中, 最常使用的是DNeasy Blood and Tissue Kit, 為獲得更多的eDNA, 可以在標(biāo)準(zhǔn)方案中添加蛋白酶K處理[3, 39]。

圖2 從水樣中收集eDNA的方法的過(guò)濾器材料濾徑的比例和過(guò)濾器類型的比例

圖3 不同eDNA提取方法的使用比例

1.4 eDNA檢測(cè)

eDNA檢測(cè)包括單一物種特異性檢測(cè)和多個(gè)物種非特異性檢測(cè)。特異性檢測(cè)方法主要包括: 多聚酶鏈反應(yīng)(PCR)、實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qPCR)及微滴度PCR(ddPCR)等。PCR反應(yīng)結(jié)果為陽(yáng)性, 說(shuō)明樣品中有目標(biāo)種, 反之則為陰性; qPCR是物種特異性檢測(cè)的主要方法, 擴(kuò)增量超過(guò)熒光閾值為陽(yáng)性, 反之則為陰性[17]; ddPCR是第三代PCR技術(shù), 通俗來(lái)講就是將PCR反應(yīng)分成數(shù)千個(gè)液滴, 并檢測(cè)每個(gè)液滴的擴(kuò)增, 從而實(shí)現(xiàn)直接定量目標(biāo)DNA, 與qPCR相比, ddPCR對(duì)目標(biāo)種的定量更準(zhǔn)確[40]。物種特異性標(biāo)記主要選擇線粒體基因組(Mitochondrial DNA, mtDNA), 包括基因、基因、區(qū)、5、12rRNA和16rRNA等片段(圖4),其中, 應(yīng)用最廣泛的是基因, Doi等[40]、Janosik等[41]和Yamamoto等[42]分別結(jié)合不同檢測(cè)方法(即PCR、ddPCR和qPCR)對(duì)特定物種基因拷貝數(shù)進(jìn)行定量; Knudsen等[2]和Salter等[43]將基因和區(qū)與qPCR相結(jié)合, 分別將其運(yùn)用到丹麥周圍不同海區(qū)的生物量評(píng)估研究中, 而12rRNA和16rRNA主要與PCR結(jié)合進(jìn)行特異性物種檢測(cè), 并且在海洋中應(yīng)用較少, 研究集中在控制生態(tài)系實(shí)驗(yàn)和河流等淡水流域[44-45]。

圖4 eDNA研究中常用的特異性標(biāo)記及其檢測(cè)方法

在進(jìn)行多個(gè)物種檢測(cè)時(shí), 主要利用環(huán)境DNA宏條形碼技術(shù)(eDNA metabarcoding), 通過(guò)結(jié)合宏條形碼技術(shù)和高通量測(cè)序(即第二代測(cè)序, High-throughput sequencing)來(lái)設(shè)計(jì)通用引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增, 其中, 目標(biāo)基因主要是12rRNA, 擴(kuò)增長(zhǎng)度為100～460 bp(表1), 擴(kuò)增的DNA片段與物種相匹配為陽(yáng)性, 反之則為陰性, 對(duì)擴(kuò)增的DNA片段進(jìn)行測(cè)序, 利用測(cè)序讀數(shù)與eDNA組成之間的關(guān)系來(lái)研究物種豐度, 具有高效、低成本的優(yōu)勢(shì)。

表1 用于魚(yú)類群落研究的通用引物及目標(biāo)基因

2 環(huán)境DNA在生物量評(píng)估中的研究

漁業(yè)資源評(píng)估不僅需要進(jìn)行物種定性及生物多樣性研究; 而且需要定量評(píng)估物種豐度和生物量, 這也將成為eDNA研究的重要前沿。近年來(lái), 人們對(duì)于淡水的研究較多, 而海洋環(huán)境條件更為復(fù)雜, 研究起來(lái)十分困難, 因此, 相較于淡水系統(tǒng), 人們對(duì)海洋的研究較少。

2.1 eDNA在生物量研究中的進(jìn)展

利用eDNA技術(shù)評(píng)估生物量主要采用兩種方法(表2), 一是量化eDNA濃度與生物量之間的關(guān)系, 大量研究證明了eDNA濃度與物種豐度和生物量之間存在著正相關(guān), 例如, Takahara等[30]的水族箱和池塘實(shí)驗(yàn)證明了eDNA濃度與鯉魚(yú)生物量之間呈正相關(guān), 并用此方法估算天然瀉湖中鯉魚(yú)的生物量和分布; Lacoursiere-Roussel等[51]用eDNA濃度量化了湖鱒的相對(duì)豐度; Tillotson等[52]研究表明, eDNA濃度與鮭魚(yú)數(shù)量密切相關(guān)等。在海洋等開(kāi)放水體中, 由于eDNA源和匯的機(jī)制尚不明確以及eDNA濃度受多種因素影響, 有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的研究結(jié)果, Salter等[43]定量得到的eDNA濃度與大西洋鱈魚(yú)生物量一致; Knudsen等[2]研究表明, eDNA濃度和波羅的海6種魚(yú)主要豐度之間有一定關(guān)聯(lián), 但與拖網(wǎng)捕獲的生物量之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性; Yamamoto等[42]將時(shí)間和空間因素考慮在內(nèi), 實(shí)現(xiàn)eDNA定量評(píng)估魚(yú)類豐度的目標(biāo)。這表明, eDNA可以作為物種豐度或生物量的粗略指標(biāo), 適當(dāng)考慮生物和非生物因素能提高eDNA定量評(píng)估的準(zhǔn)確性。eDNA定量分析的優(yōu)勢(shì)在于可以比較eDNA濃度的時(shí)空變化, 有助于實(shí)時(shí)掌握水體中物種生物量的變動(dòng)趨勢(shì)。

表2 eDNA技術(shù)評(píng)估生物量的研究方法及優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

評(píng)估水生生態(tài)系統(tǒng)生物量的另一實(shí)踐是eDNA技術(shù)與高通量測(cè)序相結(jié)合, 利用測(cè)序讀數(shù)來(lái)評(píng)估生物量[48, 53]。Thomsen等[15]等首次將其應(yīng)用到海洋中, 證明了測(cè)序讀數(shù)和海洋魚(yú)類豐度具有一致性。由于PCR抑制, 即使eDNA豐度是生物豐度或生物量的指標(biāo), 高通量測(cè)序獲得的測(cè)序讀數(shù)也可能不是eDNA豐度的指標(biāo), 因此, 宏條形碼技術(shù)在研究物種豐度和生物量方面具有一定挑戰(zhàn)。Kelly等[49]和Evans等[46]的研究表明, 序列讀數(shù)與豐度之間存在很弱的正相關(guān)性; 之后, Hanfling等[47]假設(shè)采樣、PCR和測(cè)序過(guò)程沒(méi)有顯著偏差, 測(cè)序讀數(shù)可以作為一個(gè)有效評(píng)估豐度的方法, 然而, 在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn), 測(cè)序讀數(shù)和豐度之間關(guān)系復(fù)雜, 假設(shè)很難實(shí)現(xiàn)。最近, Ushio等[50]將內(nèi)標(biāo)DNA添加到eDNA樣品中, 利用eDNA技術(shù)同時(shí)對(duì)多種魚(yú)類eDNA進(jìn)行定量, 并考慮了PCR抑制的影響, 結(jié)果證明這種方法比qPCR定量更準(zhǔn)確、高效。

2.2 eDNA技術(shù)與傳統(tǒng)方法相結(jié)合

長(zhǎng)期以來(lái), 人們采用直接觀察、拖網(wǎng)捕撈、陷阱誘餌、電氣捕魚(yú)、聲波測(cè)量等傳統(tǒng)方法進(jìn)行漁業(yè)資源調(diào)查, 然而, 傳統(tǒng)方法只能掌握種群實(shí)時(shí)分布, 且不可重復(fù)。eDNA技術(shù)能檢測(cè)到過(guò)去幾天甚至幾周內(nèi)的物種脫落物, 且可多次重復(fù)、減少誤差, 然而, 由于物種脫落物可能隨著水流流向任何位置, 甚至沉入水底, 形成沉積物, 因而導(dǎo)致物種豐度產(chǎn)生明顯的偏差。

近年來(lái), 大多數(shù)研究將傳統(tǒng)方法與eDNA技術(shù)相結(jié)合, 證明了eDNA技術(shù)在評(píng)估物種豐度和生物量方面的有效性。在淡水系統(tǒng)中, Pilliod等[54]評(píng)估了美國(guó)愛(ài)荷達(dá)州小溪中的尾蛙和大鯢的豐度, 在種群密度較低的情況下, eDNA的檢出率比傳統(tǒng)檢測(cè)方法略高; Lacoursiere-Roussel等[51]利用eDNA估算加拿大湖鮭的豐度, 結(jié)果與傳統(tǒng)刺網(wǎng)漁獲量一致; Itakura等[44]定量評(píng)估了日本鰻豐度, 減少電釣給生物帶來(lái)的損害; Yates等[57]結(jié)合標(biāo)記重捕法評(píng)估美洲紅點(diǎn)鮭豐度。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中, Salter等[43]檢測(cè)到大西洋鱈魚(yú)eDNA豐度與拖網(wǎng)漁獲量高度一致; Thomsen等[58]在對(duì)格陵蘭島深海魚(yú)類的研究中也得出同樣的結(jié)論, 降低拖網(wǎng)成本; Yamamoto等[42]結(jié)合定量回聲測(cè)深儀估算日本舞鶴灣竹莢魚(yú)生物量, 聲波測(cè)量是一種有效的檢測(cè)手段, 但在遇到障礙物時(shí)很難檢測(cè), 因此, eDNA技術(shù)可以成為傳統(tǒng)方法的有力補(bǔ)充。

2.3 eDNA濃度影響因素及相關(guān)模型

eDNA濃度與脫落率和衰變率有關(guān), eDNA在水體中脫落和衰變受到多種生物因素和非生物因素影響[59]。eDNA脫落率與物種數(shù)量和質(zhì)量有關(guān), 一般來(lái)說(shuō), 成魚(yú)的eDNA釋放率是幼魚(yú)的3～4倍[38], 當(dāng)魚(yú)類進(jìn)行捕食、產(chǎn)卵等活動(dòng)時(shí), 可能導(dǎo)致eDNA濃度在短時(shí)間內(nèi)急劇變化[60]; eDNA衰變率取決于DNA片段長(zhǎng)度, DNA片段越長(zhǎng), 衰變?cè)娇靃58], 而不同來(lái)源的eDNA衰變機(jī)制是一致, 每個(gè)物種eDNA衰變率不受其他物種影響[56]; 溫度是影響eDNA濃度的主要非生物因素, 水溫影響魚(yú)類的生長(zhǎng)代謝, 從而影響eDNA脫落, 研究表明魚(yú)類在溫水中釋放的eDNA比在冷水中釋放得多[33], 并且溫度越高, eDNA脫落和衰變速率越快[59], 因此, eDNA能在溫度較低的水體中保存一段時(shí)間。Collins等[61]研究發(fā)現(xiàn), 近岸環(huán)境中eDNA降解速度是大洋中的1.6倍, 與淡水相比, 海洋系統(tǒng)一般具有較高的鹽度、離子含量、pH以及更穩(wěn)定的溫度, 這些因素也被證明有利于DNA保存[62-63]。

由于eDNA濃度的不確定性影響生物量定量研究, 因此, 人們開(kāi)始構(gòu)建相關(guān)模型來(lái)研究eDNA濃度變化。Takahara等[30]利用一般線性模型分析eDNA濃度與6個(gè)環(huán)境因子之間的關(guān)系; Thomsen等[15]首次構(gòu)建海水中魚(yú)類eDNA指數(shù)衰變模型, Tsuji等[39]在此基礎(chǔ)上拓展了水溫效應(yīng); Cerco等[64]構(gòu)建了eDNA歸趨模型來(lái)量化eDNA濃度; Nukazawa等[65]根據(jù)eDNA衰變實(shí)驗(yàn)得出衰變常數(shù), 構(gòu)建模型模擬eDNA釋放和降解; Schultz[66]使用貝葉斯預(yù)測(cè)模型估算eDNA濃度, 并在亞洲鯉魚(yú)中得到驗(yàn)證。此外, 為了防止取樣后的降解, 可以進(jìn)行回歸分析校正eDNA濃度。

2.4 生物量定量相關(guān)模型

為了更好地掌握漁業(yè)資源的動(dòng)態(tài)變化, 人們致力于構(gòu)建生物量定量的相關(guān)模型來(lái)研究eDNA濃度與物種豐度和生物量之間關(guān)系。Sassoubre等[56]建立拉格朗日質(zhì)量平衡模型來(lái)研究東太平洋溫帶水域三種海洋魚(yú)類豐度; Doi等[67]利用廣義線性模型得出eDNA濃度與日本香魚(yú)生物量之間存在正相關(guān); Chambert等[45]證明了負(fù)二項(xiàng)模型比正態(tài)分布模型定量更準(zhǔn)確; Levi等[68]利用泊松回歸模型定量分析鮭魚(yú)數(shù)量; Itakura等[44]構(gòu)建線性混合效應(yīng)模型研究eDNA和日本鰻空間分布、豐度和生物量之間的關(guān)系; Knudsen等[2]運(yùn)用廣義線性模型研究發(fā)現(xiàn), 波羅的海6種商業(yè)魚(yú)類eDNA濃度與其主要豐度之間存在相關(guān)性; Yates等[57]運(yùn)用異速生長(zhǎng)模型估算eDNA濃度與種群水平上豐度的相關(guān)性; Fukaya等[69]在之前Yamamoto等人研究的基礎(chǔ)上, 構(gòu)建了數(shù)值水動(dòng)力示蹤模型, 并通過(guò)貝葉斯推理估算種群豐度, 而且這個(gè)方法可以被用來(lái)研究外源DNA的輸入。

2.5 eDNA技術(shù)在生物量評(píng)估中的應(yīng)用

在實(shí)際中, 利用eDNA評(píng)估物種豐度和生物量可以進(jìn)行有效的漁業(yè)資源管理。掌握商業(yè)魚(yú)類生物量的動(dòng)態(tài)變化對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤為重要, 長(zhǎng)期以來(lái), 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化拖網(wǎng)調(diào)查來(lái)量化商業(yè)魚(yú)類的數(shù)量, 導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞, 鮭魚(yú)是淡水生態(tài)系統(tǒng)中的重要經(jīng)濟(jì)種, Tillotson等[52]和Levi等[68]分別利用eDNA定量評(píng)估不同河流中鮭魚(yú)豐度和生物量, 證明eDNA是物種豐度和生物量評(píng)估的有效工具; Salter等[43]將其應(yīng)用在海洋種大西洋鱈魚(yú)的研究中, 也得出同樣結(jié)論。一些研究將eDNA技術(shù)應(yīng)用于評(píng)估瀕危物種生物量, 例如, Mizumoto等[70]進(jìn)行日本瀕危鮭魚(yú)水族箱實(shí)驗(yàn), eDNA濃度可以作為生物量指標(biāo), 但在自然環(huán)境中應(yīng)用需進(jìn)一步研究; Itakura等[44]利用eDNA定量研究瀕危的大鱗大馬哈魚(yú), 減少圍網(wǎng)調(diào)查對(duì)瀕危種侵入的影響, 這在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有重要意義。此外, 生態(tài)系統(tǒng)中一旦遭遇物種入侵, 入侵種豐度和生物量的評(píng)估是漁業(yè)管理必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié), Minamoto等[71]研究了入侵虹鱒魚(yú)及本地紅點(diǎn)鮭魚(yú)的分布和生物量變化, Baldigo等[72]和Yates等[57]分別評(píng)估了eDNA定量溪鱒種群豐度的能力, 證明eDNA是物種豐度的可靠指標(biāo)。因此, 可以通過(guò)eDNA定量評(píng)估入侵種豐度并采取相應(yīng)措施, 從而降低入侵種對(duì)本地種的威脅。

2.6 eDNA技術(shù)存在問(wèn)題及優(yōu)化方案

盡管eDNA技術(shù)日益成熟, 在漁業(yè)資源評(píng)估中發(fā)揮著重要作用, 但研究過(guò)程中出現(xiàn)的假陽(yáng)性和假陰性是eDNA技術(shù)應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)[29]。假陽(yáng)性是指檢測(cè)到自然界不存在的物種; 假陰性是指自然界存在而未檢測(cè)到的目標(biāo)物種。引起假陽(yáng)性和假陰性的因素很多, 包括eDNA的源和匯機(jī)制尚不明確、樣品污染以及操作過(guò)程中產(chǎn)生的偏差等。因此, 首先對(duì)潛在的外源DNA源進(jìn)行檢測(cè), 考慮不同發(fā)育階段個(gè)體之間的eDNA釋放速率的差異以及影響eDNA濃度的環(huán)境因子。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 嚴(yán)格操作步驟, 進(jìn)行陰性對(duì)照, 減少野外和實(shí)驗(yàn)室污染; 此外, 增加采樣強(qiáng)度及PCR和測(cè)序重復(fù)以降低偏差。

3 結(jié)論與展望

eDNA技術(shù)主要通過(guò)收集環(huán)境樣本中的DNA片段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)體到群落的定性和定量調(diào)查。它不僅可以檢測(cè)目標(biāo)物種，調(diào)查生物多樣性及其時(shí)空分布，還可以評(píng)估種群豐度及生物量，是漁業(yè)資源管理的有利工具。在全球范圍內(nèi)，目前基于eDNA技術(shù)進(jìn)行生物量評(píng)估的研究主要集中在美國(guó)、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)基于eDNA技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在淡水等靜水中，而在海洋等開(kāi)放水域中的調(diào)查相對(duì)空缺。作為海洋漁業(yè)大國(guó)，在當(dāng)前漁業(yè)資源衰退的背景下，我國(guó)應(yīng)當(dāng)對(duì)eDNA技術(shù)推廣使用，從而在不破壞生態(tài)環(huán)境前提下更高效、有力地收集漁業(yè)資源數(shù)據(jù)，為資源利用和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供技術(shù)手段。

生物量是評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)健康及漁業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)，基于eDNA技術(shù)進(jìn)行生物量評(píng)估具有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于eDNA濃度易受到生物和非生物因素的影響，基于eDNA技術(shù)的定量研究仍處于發(fā)展階段，因此，研究eDNA的脫落率和衰變率的影響因素，是eDNA定量評(píng)估的重要前提。大量研究證明對(duì)eDNA濃度的不確定性進(jìn)行建模能提高定量評(píng)估的可靠性，為實(shí)現(xiàn)在海洋等復(fù)雜多變的環(huán)境中研究提供科學(xué)依據(jù)。此外，為提高eDNA技術(shù)的準(zhǔn)確性，相關(guān)技術(shù)手段也應(yīng)當(dāng)不斷拓展，從而促進(jìn)其成為漁業(yè)資源監(jiān)測(cè)的常規(guī)手段。但應(yīng)當(dāng)注意的是，由于不能直接觀察到生物體，因此，eDNA技術(shù)不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，在以后的調(diào)查監(jiān)測(cè)中，兩者相互補(bǔ)充、相互結(jié)合，在生物量評(píng)估中共同發(fā)揮作用，開(kāi)啟漁業(yè)資源調(diào)查與評(píng)估的新篇章。

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Role of the environmental DNA technology application in the biomass assessment of the fishery resource: current status and future perpectives

DIAO Cao-yun1, 2, WANG Wen3, 4, XIAN Wei-wei1, 2, 5, ZHANG Hui1, 2, 5

(1. CAS Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Institute of Oceanographic Instrumentation, Qilu University of Technology, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266100, China; 4. Shandong Technological Center of Oceanographic Instrumentation, Qingdao 266100, China; 5. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

The global fishery resources are now under endangerment due to the continual interruption triggered by human activities in the past few years. To evaluate its deleterious effects, the environmental DNA (eDNA) assessmentmethod has been established to be more advantageous for its simple operation, low invasiveness, and high sensitivity, and hence widely used in comparison to the traditional assessment techniques. It has also been proven to be more constructive to analyze the biomass and the species abundance. This study summarizes the investigation carried out by the eDNA technique to evaluate the biomass of fishery resources, including the following aspects: the complementarity of the eDNA and the traditional methods, factors and models of the eDNA concentration, and the quantitative models of the biomass. What’s more, this review provides new perspectives for future study, which will impart the crucial standpoint of the eDNA technology application in relation to the biomass assessment of fishery resources.

environmental DNA; fishery resources; biomass assessment; ecological conservation

Apr. 9, 2021

P735

A

1000-3096(2022)02-0135-10

10.11759/hykx20210409002

2021-04-09;

2021-04-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(41976094, 42090044); 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心重點(diǎn)部署項(xiàng)目(COMS2019Q14); 江蘇省面上項(xiàng)目(BK20201212); 廣西防城港市科技計(jì)劃(防科AB20014024)

[National Natural Science Foundation of China, Nos. 41976094, 42090044; Key Deployment Project of Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, No. COMS2019Q14; Natural Science Foundation of Jiangsu Province, No. BK20201212; S&T Program of Fangchenggang, No. Fangke AB20014024]

刁曹鋆(1998—), 女, 江蘇南通人, 碩士研究生, 主要研究方向?yàn)闈O業(yè)生態(tài), E-mail: cydiao7788@163.com; 張輝(1986—),通信作者, 研究員, 主要研究方向?yàn)闈O業(yè)生態(tài), E-mail: zhanghui@qdio. ac.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)