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环境DNA或成海洋生物多样性调查利器

2019-2-19 9:32:50 作者:任芳言

不用捕捞或潜水观察,从海中舀一杯水,就能知道最近有哪些鱼类曾在附近出没,这是什么技能?上世纪80年代,环境DNA的概念被首次提出,用于研究陆地动物食性或淡水环境中的微生物组成等。如今科学家又有了颇具野心的计划:用环境DNA调查海洋中的生物多样性。

环境DNA取样现场

2018年,首届海洋环境DNA会议在美国洛克菲勒大学举行,会议指出对渔业、濒危物种进行监控时,应该让海水中的环境DNA“物尽其用”。海水中能提取出的遗传信息很多,比如海洋生物掉落的皮肤细胞、鳞片等组织,这些都属于环境DNA,它们能为准确识别物种提供帮助。不止是告诉人们海洋中有哪些动物,环境DNA还能告诉人们哪些地方有常见的食用鱼类出没,或者检测到哪些水域可能存在污染。不过,厦门大学海洋与地球学院教授丁少雄表示,“这是一项不错的技术,但目前还存在不少缺陷”。

告别拖网

2017年夏天,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)东北部渔业科学中心的研究人员刘媛在纽约州和康涅狄格州之间的长岛湾采集了近30份海水样品。这里是有名的牡蛎产地,不少渔民将装有牡蛎的笼子放在海水中养殖,这些笼子会引来许多鱼类。同时,附近还有岩石或冷水珊瑚等天然的海底结构,为附近的鱼类提供栖息场所。

养殖牡蛎的笼子和天然的珊瑚岩石分别代表了人造和天然两类海底结构,它们会吸引不同的鱼类吗?这是刘媛采集海水样品的目的。她采样的两个站点间距大约有2000米,用传统的拖网调查不太可行。“在这么小的范围内,不太可能找到明显的差别。”刘媛说。

通过识别海水样本中的环境DNA,则有可能找到蛛丝马迹。刘媛与合作者对采集到的样本进行测序分析,将获得的遗传标记与数据库进行比较,发现的确有一部分鱼更青睐有天然结构的海底,而且在样本采集的3个月中,鱼群种类组成随时间推移有明显变化。

海洋生物多样性构成、鱼群迁徙阶段……的确,跟拖动笨重的渔网相比,舀一杯水会轻快得多。而且在珊瑚礁等鱼群种类丰富的地方,需要找到更便捷且对环境友好的调研方式。以识别海洋中的生物多样性为例,如果靠传统捕捞手段,研究者在同一海域能捕获到约20种不同的鱼类;但用环境DNA,在同一水域中则可以有100多个物种被检测出来。如果能采集到更多更具持续性的样本,将其与传统调查方式得出的结果相对照、验证有效性,那么假以时日,环境DNA技术则有可能成为垂钓、拖网、潜水等方法之后,一种新的海洋生物多样性调查利器。

“我们从一小杯水中就能知道一大群鱼的信息,这在环境和经济方面都具有重大意义。”洛克菲勒大学生物信息和遗传学家Mark Stoeckle曾这样评价环境DNA技术的应用前景。

更给力的测序技术

DNA作为遗传信息存在于生物的每一个细胞中,早在1990年前后,就有研究者利用环境DNA识别水中的微生物。2003年,环境DNA首次用于检测样品中是否存在大生物(指肉眼可见的生物);到2010年前后,逐渐有研究者将环境DNA技术引入海洋调查中。

通过一个细致的过滤器,研究者可以从水体样本中提取出物种DNA。在一份海水样品中,可包含的DNA片段能达到上千万个,而每一个物种能携带的DNA又是独一无二的。将从样品中获得的遗传标记序列与DNA数据库中的序列相比对,就像是在通讯录里找到相应的电话号码,从而确认分析的DNA来自什么物种。

分析环境DNA常用的方法包括定量聚合酶链式反应技术(PCR)和基于高通量测序的宏条形码技术。之前,测定海水中的DNA不仅费用昂贵,而且需要的时间较长。随着基因测序技术的发展,弄清水中有哪些生物的DNA不像先前一般昂贵,而且效率越来越高。比如在识别特定物种的丰富程度时,环境DNA的分析结果可以在样本采集后的几天内得出,对某些物种的分析甚至可以在24小时内得出结果。

斯坦福大学的海洋生物学家Barbara Block和其他研究者正在利用环境DNA追踪大白鲨在海中的踪迹。利用纳米孔测序技术,他们可以在48小时内确定采样处是否曾有大白鲨出没。不过,对哪个基因进行测序是一个不断做决定的过程。“生物的整个DNA携带的信息量非常庞大,只要选取其中一段就可以判定物种种类,但具体选择哪一段基因需要好好考量。”刘媛说。比如COI基因作为使用最广泛的标准条形码基因,有当前最丰富的参考序列数据库,对于物种的鉴定特异性较高,但是可能不足以涵盖高度的多样性。

成为主流技术的门槛

丁少雄表示,环境DNA在今天若要真的发挥实力,还需要满足一些前提条件,“比如水体样本中能否成功提取出所有目标生物的DNA,测序结果能否从DNA数据库的序列中找到参照”。

和人掉落在房间里的皮肤细胞不同,鱼类或其他海洋生物掉落的皮肤组织会受到水流、温度以及酸碱性等因素的影响,在较短的时间内稀释、降解,因此从水体样本中提取出所需要的物种DNA有一定难度。另一方面,若DNA数据库没有全面、高质量的序列储备,即便从海洋中提取出环境DNA,也只能是“巧妇难为无米之炊”。“有时我们将检测结果与数据库相对比,得出的结果是‘未知’,但答案真的是未知吗?或许传统的物种鉴定学家应该和环境DNA的研究者一起工作,DNA数据库需要扩充。”刘媛表示。

对于政府部门和项目资助者来说,他们可能更希望看到环境DNA与传统的研究方法有何不同,以及对环境DNA的利用能否达到更高效的水准,比如不只是测定某一区域有多少种鱼类,还要进一步确定这些鱼类的生物量。“但这项工作的影响因素太多了,季节、水温、水深、风的大小、水流变化等都会对生物量的估算产生影响。”丁少雄表示。

或许与更多学科的研究者合作能一步步解决这些问题。刘媛提到一些设想:“比如环境DNA的研究者应该与研究海洋物理的科学家合作,弄清海里的水如何流动,结合海水中各种复杂的化学和物理过程,建立关于环境DNA在水体中存留时间的准确模型。”

不论如何,环境DNA研究受到了越来越多的关注,丁少雄坦言,近两年看到的与环境DNA相关的项目申请数量明显变多。不过,这项技术能否成为未来的主流,还需要更多的时间和经费去验证。△

网站编辑:宫莉

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