环境DNA或成生物多样性调查新途径

环境DNA在海洋生物多样性研究中可以做很多事情。照片来源:dfososcience

■任芳燕，本报见习记者

在没有钓鱼或潜水观察的情况下，从海里舀一杯水来知道最近哪些鱼在附近出没，这是什么不朽的技能？

20世纪80年代，环境DNA的概念首次被提出来研究陆地动物的饮食习惯或淡水环境中的微生物组成。现在科学家们有了另一个雄心勃勃的计划:利用环境DNA来研究海洋生物多样性。

2018年，第一次海洋环境DNA会议在美国洛克菲勒大学举行。会议指出，在监测渔业和濒危物种时，应尽可能利用海水中的环境DNA。

从海水中可以提取出大量的遗传信息，如皮肤细胞、鳞片和海洋生物掉落的其他组织，属于环境DNA，可以为准确识别物种提供帮助。它不仅能告诉人们海洋中有哪些动物，还能告诉人们哪些地方有常见的食用鱼，或者哪些水域可能被污染。

然而，厦门大学海洋与地球学院教授丁少雄告诉《中国科学》，“这是一项好技术，但仍有许多缺陷。”

告别拖网捕鱼

2017年夏天，国家海洋与大气管理局(NOAA)东北渔业科学中心的研究员刘元在纽约州和康涅狄格州之间的长岛湾采集了近30个海水样本。这是一个著名的牡蛎产地。许多渔民把装有牡蛎的笼子放在海水中进行养殖。这些笼子会吸引许多鱼。与此同时，附近还有天然海底结构，如岩石或冷水珊瑚，为附近的鱼类提供栖息地。

牡蛎笼和天然珊瑚石分别代表人工和天然海底结构。它们吸引不同的鱼吗？

这就是刘源收集海水样本的目的。她采样的两个站点之间的距离约为2000米，因此使用传统的拖网调查是不可行的。"在如此小的范围内，不可能发现任何明显的差异."刘源说道。

通过识别海水样本中的环境DNA，有可能找到线索。刘元和她的合作者对采集的样本进行了测序分析，并将遗传标记与数据库进行了比较。人们发现，确实有一些鱼更喜欢天然结构的海底。在3个月的采样中，鱼群的种类组成随时间有明显的变化。

海洋生物多样性的组成，鱼类迁徙的阶段...事实上，舀一杯水比拖一个沉重的渔网要轻得多。此外，在像珊瑚礁这样鱼类种类丰富的地方，需要找到更方便、更环保的研究方法。

以海洋生物多样性的识别为例，如果使用传统的捕鱼方法，研究人员可以在同一海域捕获大约20种不同的鱼类。然而，利用环境DNA，在同一水域可以检测到100多种物种。

如果能够收集到越来越多的连续样本，并与传统调查方法得到的结果进行比较来验证其有效性，那么随着时间的推移，环境DNA技术可能成为继捕鱼、拖网、潜水等方法之后海洋生物多样性调查的新工具。

“我们可以从一小杯水中了解到一大群鱼的信息，这对环境和经济都有重要意义。”洛克菲勒大学的生物信息学和遗传学家马克·斯托克曾以这种方式评估了环境DNA技术的应用前景。

更强大的测序技术

DNA作为遗传信息存在于有机体的每个细胞中。早在1990年左右，研究人员就利用环境DNA来识别水中的微生物。2003年，环境DNA首次被用于检测样品中大型生物(肉眼可见的生物)的存在。大约在2010年，研究人员逐渐将环境DNA技术引入海洋调查。

通过仔细的过滤，研究人员可以从水样中提取物种的DNA。一个海水样本可以包含数千万个DNA片段，每个物种都可以携带独特的DNA。将从样本中获得的遗传标记序列与DNA数据库中的序列进行比较，就像在地址簿中找到相应的电话号码，从而确认被分析的DNA来自哪个物种。

分析环境DNA的常用方法包括定量聚合酶链反应(PCR)和基于高通量测序的宏条形码技术。以前，测定海水中的脱氧核糖核酸不仅昂贵，而且需要很长时间。随着基因测序技术的发展，发现水中哪些生物有自己的DNA不再像以前那样昂贵，效率也越来越高。

例如，当鉴定特定物种的丰富度时，环境DNA的分析结果可以在样品收集后的几天内获得，甚至某些物种的分析结果可以在24小时内获得。

斯坦福大学海洋生物学家芭芭拉·布洛克和其他研究人员正在利用环境DNA追踪海洋中的大白鲨。利用纳米孔测序技术，他们可以确定在48小时内是否在取样点发现了大白鲨。

然而，测序哪个基因是一个持续的决策过程。“一个生物体的整个DNA携带着大量的信息，因此只能选择一个片段来确定物种类型，但是需要仔细考虑基因的特定片段。”刘源告诉《中国科学日报》。

例如，COI基因作为最广泛使用的标准条形码基因，具有最丰富的参考序列数据库，对物种鉴定具有高特异性，但可能不足以覆盖高多样性。

成为主流技术的门槛

丁少雄在接受《中国科学日报》采访时表示，如果今天环境DNA要真正发挥它的作用，还需要满足一些先决条件，“比如是否可以从水样中成功提取所有目标生物的DNA，测序结果是否可以从DNA数据库的序列中找到参考”。

与人类在室内掉落的皮肤细胞不同，鱼类或其他海洋生物掉落的皮肤组织会受到水流、温度、酸碱度的影响，并在短时间内被稀释和降解。因此，很难从水样中提取所需的物种DNA。

另一方面，如果在DNA数据库中没有全面、高质量的序列储备，即使从海洋中提取环境DNA，也只能是“无米之炊”。“有时我们将测试结果与数据库进行比较，结果是‘未知’，但答案真的未知吗？也许传统的物种专家应该与环境DNA的研究者合作，DNA数据库需要扩大。”刘源说道。

对于*部门和项目发起人来说，他们可能更愿意看到环境DNA和传统研究方法之间的区别，以及环境DNA的使用是否能够达到更有效的水平，例如不仅确定某个区域中有多少种鱼，而且还进一步确定这些鱼的生物量。

“但是影响这项工作的因素太多了。季节、水温、水深、风力大小、水流变化等。都将影响生物量的估算。”丁少雄说道。

也许与更多学科的研究人员合作可以一步一步解决这些问题。刘源提到了一些假设:“例如，环境DNA的研究人员应该与研究海洋物理的科学家合作，找出海水是如何流动的，并通过结合海水中各种复杂的化学和物理过程，建立环境DNA在水中保留时间的精确模型。”

然而，环境DNA研究越来越受到重视。丁少雄坦言，近两年来，申请环境DNA相关项目的数量明显增加。然而，这项技术能否成为未来的主流还需要更多的时间和金钱来验证。

中国科学杂志(2019-02-12第三版综合)