eDNA专题|环境DNA (eDNA) 宏条形码助力生物多样性研究

今天我们探讨一下环境DNA宏条形码（eDNA metabarcoding）检测技术在生态环境中的应用。

高通量测序与eDNA序列相关联的技术称为“eDNA metabarcoding”，是一种强大的分子工具，能够无创地调查来自许多生态系统的物种丰富度。利用Metabarcoding技术对环境样本中的eDNA进行检测，可以获取环境样本中DNA所属物种的分类学信息和基因功能信息，进而研究不同生态环境中物种的多样性，追溯物种来源、发展以及变化。

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eDNA宏条码技术在动物和植物方面应用广泛，检测物种的丰富度和相对丰度，调查全球生物多样性。

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（1）检测物种丰富度：常规方法vs eDNA宏条码技术

环境DNA条形码可以通过针对不同物种，并克服传统取样的局限性，适用于各种环境。例如，对于许多不同的水生系统，使用eDNA metabarcoding检测的两栖动物物种的数量等于或大于使用常规方法检测的数量。使用eDNA宏条码检测濒危脊椎动物物种，并作为远程地理区域中相机陷阱调查的补充。在植物中，过滤空气样本的eDNA宏条码相对于视觉方法可以更准确的分辨识别花粉。

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（2）物种相对丰度：常规方法vs eDNA宏条码技术
eDNA宏条码对物种的相对丰度进行精确估计，在水生系统中应用广泛。例如在一个天然湖泊中，长期监测得到的鱼类的相对丰度与eDNA取样调查呈正相关。
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不同生态系统中eDNA宏条码的应用

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（1）淡水生态系统
不同样本类型的环境DNA宏条码在水生系统动物的物种丰富度估计方面非常成功（下图）。从地表水中采集的eDNA推断的空间和时间尺度因河流和湖泊而异，与湖泊表面水域中的eDNA相比，河水测量的物种丰富度存在于更大的空间尺度。大多数情况下，湖泊和河流表层水中的eDNA产生的物种丰富度估计反映了近期的生物多样性，而表层沉积物中发现的eDNA可能反映了eDNA的时间延长积累。在沉积物核心和冰芯沉积物中发现的环境DNA通常反映了历史生物多样性样本，并且更常用作古DNA的来源。

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（2）海洋生态系统
由于eDNA在大量水中的潜在稀释以及可能影响eDNA转运和降解的其他非生物因子（盐度、潮汐、水流），因此eDNA metabarcoding在海洋生态系统中检测具有挑战性。对沿海水鱼类的eDNA宏条码调查表明，与传统的调查技术相比，eDNA可以检测出更大的分类多样性，同时改善稀有和少量鱼种的检测，并揭示隐藏的物种。
动物和植物eDNA在海洋环境中的纵向转运尚未得到很好的研究。类似于来自湖泊的淡水沉积物核心，垂直向海洋沉积物的运输可能会保留大部分吸附在沉积物颗粒上的eDNA。这种吸收可以保护核苷酸免于降解，并有助于在潜在的大时空尺度上长期保存遗传信号。


（3）陆地和空中生态系统
来自陆地沉积物岩心的环境DNA是研究过去环境和重建动植物群落的有用工具。草食动物中的eDNA metabarcoding已被用于识别古代动物和植物群落中的物种，并且来自粪便中的微量化石的DNA痕迹被用于重建以前罕见的饲养关系和灭绝的鸟类。在现代环境中，从顶层土壤中分离出的eDNA已用于表征蚯蚓和脊椎动物的生物多样性。
对空气传播的eDNA的调查更加强调检测在动物和植物中引起感染或过敏反应的生物。例如，可导致人类花粉热和哮喘的空气传播花粉研究，与显微镜鉴定相比，使用从空气中过滤的植物花粉中的eDNA可以更准确地鉴定过敏性植物花粉的来源。
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eDNA实验流程

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当前的eDNA工作流程由四个部分组成：研究设计、野外取样、实验室和生物信息学。其中研究设计是重点：主要关注假设/问题，目标分类群等；野外取样包括在DNA提取之前保存或冷冻的样品收集（例如，水、沉淀物、空气）；实验室设计独特核苷酸序列（也称为“条形码”），使用PCR结合或连接到不同的PCR产物上，形成“库”，从而将多个样品合并在一起，进行高通量测序；实验室处理样品后的最后一步是使用强大的生物信息学管道计算处理来自测序仪的输出文件。

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eDNA宏条码应用范围


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（1）生态系统中的应用
量化自然群落中物种的丰富性和丰富性，现在并将继续成为许多生态学研究的目标。从顶部土壤中近乎完整地分析生物多样性（例如，从细菌到动物和植物），提高我们对捕食者/猎物关系的知识，植物传粉者相互作用等共生关系以及由小型隐蔽物种组成的高度多样化系统中的食物网。


（2）生物保护中的应用
鉴于生物多样性在全球范围内迅速下降，我们必须提高策略的有效性以制止或扭转这种损失。因此，开发能够实现快速，经济有效和无创的生物多样性评估的工具，例如eDNA宏条码，对于稀有和隐蔽物种非常最重要的。


（3）检测物种入侵
eDNA对大型生物的首次应用之一是在法国池塘中检测到北美牛蛙，该方法立即引起了对入侵生物学感兴趣的研究人员的注意。在使用eDNA的入侵生物学中，这种有针对性的方法被称为“主动”监视。eDNA metabarcoding使得同时检测许多物种的存在成为可能，包括先前未怀疑存在的物种。这种更广泛的非目标方法在管理应用中被称为“被动”监视。因此，由于引物特异性的积累尤为重要。


（4）个体生物检测
敏感生物的耐受或缺乏的存在用于确定污染对全世界生态系统健康的影响，被称为“生物监测”或“生物监测”在生物监测的背景下应用eDNA宏条码是研究的主要途径。将eDNA宏条码应用于动植物监测需要对常规调查方法和基于eDNA的方法进行深入测试。


（5）生物多样性检测的商业化
建立eDNA宏条码检测规范，eDNA宏条码可能会为生物多样性的教育和宣传提供前所未有的工具。

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总结

随着eDNA宏条码工具的不断发展，我们对宏观生物群落中eDNA分析的理解，包括最佳的野外、实验室和生物信息学工作流程，在可预见的未来将继续得到改善。同时，我们需要更好地了解eDNA与生物群落之间的时空关系，以提高精确度、准确度，并提高eDNA的生态和政策相关性。在接下来的十年中，动植物的eDNA宏条码将成为一种标准的测量工具，它将补充传统方法并加速人们对全球生物多样性的理解。

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