環(huán)境?DNA?技術(shù)及其應(yīng)用

近年來(lái)，人類活動(dòng)影響導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，水生生物多樣性銳減，水生態(tài)功能?chē)?yán)重退化并影響人類健康。而生物多樣性是維持生態(tài)平衡的基礎(chǔ)，因此，對(duì)水生生物進(jìn)行監(jiān)測(cè)是開(kāi)展水生態(tài)環(huán)境管理和保護(hù)的前提。目前，傳統(tǒng)的水生態(tài)研究主要依賴形態(tài)學(xué)生物監(jiān)測(cè)，以及通過(guò)直接觀察、顯微鏡和生物聲學(xué)收集數(shù)據(jù)。然而傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)生物監(jiān)測(cè)存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高、物種分辨度低等諸多缺陷，無(wú)法在流域開(kāi)展大規(guī)模、高頻率的水生態(tài)監(jiān)測(cè)。因此，迫切需要更加便捷且準(zhǔn)確可靠的水生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)保護(hù)水生態(tài)環(huán)境生物多樣性具有重要意義。環(huán)境 DNA（eDNA）技術(shù)是近年來(lái)國(guó)際生態(tài)學(xué)領(lǐng)域最重要的革命性技術(shù)，是一種基于分子的生物多樣性高效監(jiān)測(cè)手段，在生態(tài)環(huán)境修復(fù)和自然資源保護(hù)方面具有極大的應(yīng)用潛力，已逐漸在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家快速推廣。

1 eDNA 技術(shù)簡(jiǎn)介及優(yōu)勢(shì)

eDNA 技術(shù)是指通過(guò)從環(huán)境介質(zhì)（水、土壤、沉積物等）中提取 DNA，對(duì)基因組的特定 DNA 片段進(jìn)行PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)）擴(kuò)增和高通量測(cè)序，從而對(duì)環(huán)境樣品中多生物群落進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)。該技術(shù)基本操作流程主要包括環(huán)境樣品采集、DNA 提取、DNA 高通量測(cè)序、生物信息學(xué)和多樣性分析等環(huán)節(jié)，基本操作流程圖如圖1 所示。與傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)生物監(jiān)測(cè)方法相比，eDNA 生物監(jiān)測(cè)具有采樣簡(jiǎn)單、效率高、對(duì)生物和環(huán)境破壞性小、樣本檢測(cè)靈敏度高、成本低等核心優(yōu)勢(shì)，已廣泛用于河流、湖泊、河口、濕地、海洋等各類生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性調(diào)查中。

圖1 eDNA 技術(shù)基本操作流程圖

2 eDNA 在生態(tài)與保護(hù)中的應(yīng)用研究

在基于 eDNA 技術(shù)的研究中，最受關(guān)注的技術(shù)是條形碼和宏條形碼技術(shù)，兩者最大的區(qū)別在于條形碼技術(shù)采用物種特異性檢測(cè)環(huán)境樣本中單個(gè)物種的 DNA 片段，而宏條形碼技術(shù)是對(duì) eDNA 特定區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增，并通過(guò)高通量測(cè)序同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)以萬(wàn)計(jì)的生物群落 DNA 序列的識(shí)別。對(duì)于eDNA 條形碼技術(shù)，PCR 技術(shù)用于檢測(cè)物種的存在，而定量 PCR（qPCR）技術(shù)通過(guò)檢測(cè)物種 DNA 濃度反映物種相對(duì)豐度或提高物種檢測(cè)的靈敏度。eDNA條形碼技術(shù)對(duì)檢測(cè)入侵和珍稀物種尤其有效，即使是難以進(jìn)入的棲息地，采用該方法也能繪制物種資源分布情況，從而制定有效的管理策略。eDNA 宏條形碼技術(shù)已成功用于過(guò)去與現(xiàn)在生物多樣性識(shí)別、水生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)等方面。

2.1 外來(lái)物種入侵、珍稀及瀕危物種監(jiān)測(cè)

采用傳統(tǒng)的技術(shù)方法檢測(cè)和監(jiān)測(cè)珍稀、入侵或?yàn)l危物種是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，常常需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而且，使用傳統(tǒng)調(diào)查方法進(jìn)行重復(fù)采樣是昂貴的，還可能對(duì)目標(biāo)生物物種或棲息地造成無(wú)法彌補(bǔ)的傷害。eDNA 分析技術(shù)為這類物種提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的非侵入性監(jiān)測(cè)方式，多用于水生生物的監(jiān)測(cè)。在確定入侵物種分布及危害程度方面，使用 eDNA 技術(shù)的監(jiān)測(cè)效率往往很高，近年來(lái)已用于農(nóng)業(yè)外來(lái)有害昆蟲(chóng)的入侵監(jiān)測(cè)。還有一些研究評(píng)估了eDNA 技術(shù)方法和傳統(tǒng)調(diào)查方法在監(jiān)測(cè)珍稀、入侵和瀕危物種方面的效率，并證明 eDNA 技術(shù)方法在監(jiān)測(cè)目標(biāo)物種的準(zhǔn)確性和可靠性方面相對(duì)優(yōu)于或與傳統(tǒng)調(diào)查方法相當(dāng)。然而，大多數(shù)基于 eDNA 技術(shù)的研究都集中在水生分類群，尤其是魚(yú)類和兩棲動(dòng)物，而對(duì)陸地環(huán)境中其他類群的研究較少。

2.2 生物量估算

盡管野生物種數(shù)量的減少已經(jīng)引起全球日益關(guān)注，但某些物種種群動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，部分原因是它們的地理分布存在很大的不確定性，還存在對(duì)它們的生活方式了解有限，它們生命歷史的復(fù)雜性及研究方法的局限性等方面的原因。eDNA 分析技術(shù)采用高效、靈敏和標(biāo)準(zhǔn)化方法在大尺度和長(zhǎng)時(shí)間跨度上提高了野生物種分布和豐富度監(jiān)測(cè)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)

生物入侵、害蟲(chóng)和疾病是全球生物多樣性面臨的最嚴(yán)重威脅之一，并對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和公共衛(wèi)生造成不利影響，因此，迫切需要制定有效的監(jiān)測(cè)和管理措施，以遏制有害生物的傳播和建立。然而，這些努力受限于有效識(shí)別檢測(cè)生物威脅的能力，尤其是當(dāng)這些有害生物種群處于低密度時(shí)。eDNA 技術(shù)已被證明是一種非常有效和靈敏的采樣方法，能夠通過(guò)早期檢測(cè)、傳播模式分析、種群動(dòng)態(tài)評(píng)估監(jiān)測(cè)有害生物的傳播和建立。

2.4 生物多樣性監(jiān)測(cè)

由于缺乏關(guān)于過(guò)去與現(xiàn)在物種發(fā)生、分布、豐度、棲息地要求和威脅的基本信息，面對(duì)日益增長(zhǎng)的人類壓力，保護(hù)生物多樣性是件棘手的事。獲得這些信息需要高效靈敏的采樣方法，能夠檢測(cè)識(shí)別和量化真實(shí)的生物多樣性，尤其在有很多隱蔽和未描述物種存在的超級(jí)多元化地區(qū)。eDNA 技術(shù)克服了傳統(tǒng)生物檢測(cè)識(shí)別方法的局限性，提高了監(jiān)測(cè)過(guò)去與現(xiàn)在生物多樣性的能力，且鑒定結(jié)果中的物種豐度較傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)監(jiān)測(cè)更高?，F(xiàn)在，評(píng)估不同群落的生物多樣性并同時(shí)推斷廣泛分類群的多樣性和組合模式是可能的且是經(jīng)濟(jì)合算的。

3 eDNA 的挑戰(zhàn)性和局限性

盡管 eDNA 技術(shù)已經(jīng)在外來(lái)物種入侵、珍稀及瀕危物種監(jiān)測(cè)、生物多樣性保護(hù)、生態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域/流域生態(tài)健康狀況評(píng)估及流域內(nèi)生物群落的季節(jié)性變化（水華、赤潮等監(jiān)測(cè)與預(yù)警）等方面發(fā)揮了重要的作用，但也擔(dān)心此項(xiàng)技術(shù)并不完全受益于作為生態(tài)和保護(hù)倡議獨(dú)立技術(shù)來(lái)宣傳的做法。因此，要特別強(qiáng)調(diào)，如果不能完全認(rèn)識(shí)到 eDNA 技術(shù)存在的問(wèn)題和不足，采用 eDNA 技術(shù)區(qū)分 eDNA 檢測(cè)和物種檢測(cè)或者量化生物豐度和生物量仍具有挑戰(zhàn)性。eDNA 技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)方法也存在一些問(wèn)題，如不能直接獲得物種的發(fā)育時(shí)期、性別比例等信息，且不能區(qū)分物種的死亡個(gè)體。而且由于 eDNA 的靈敏性，取樣時(shí)容易受到外界環(huán)境污染或者樣本間交叉污染。此外，eDNA 的樣本采集、提取和檢測(cè)容易存在人為誤差，因此應(yīng)明確和細(xì)化樣品采集和 DNA 提取等技術(shù)規(guī)范，制定通用的 eDNA 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化操作流程對(duì) eDNA 的應(yīng)用研究也是十分必要的。

4 建議

eDNA 技術(shù)和傳統(tǒng)生物監(jiān)測(cè)方法通常不應(yīng)被視為是評(píng)估和監(jiān)測(cè)生物多樣性的替代方法，因?yàn)樗麄兡芴峁┎煌男畔?。?lái)自 eDNA 技術(shù)的分析結(jié)論通常需要借助傳統(tǒng)生物監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，而 eDNA技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果也可以引導(dǎo)傳統(tǒng)生物監(jiān)測(cè)朝著正確的方向發(fā)展。因此，建議今后研究中將 eDNA 技術(shù)和傳統(tǒng)生物監(jiān)測(cè)方法結(jié)合應(yīng)用，相輔相成，取長(zhǎng)補(bǔ)短，為水生態(tài)物種監(jiān)測(cè)提供更加可靠的技術(shù)支持。另外，隨著遙感解譯、機(jī)器學(xué)習(xí)、云服務(wù)等新技術(shù)的發(fā)展，基于高通量測(cè)序的 eDNA 技術(shù)與這些跨學(xué)科新技術(shù)耦合，可實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)。我們相信，在未來(lái)，eDNA 技術(shù)一定會(huì)成為生態(tài)領(lǐng)域最主要的監(jiān)測(cè)方法之一。