eDNA技术的发展及在极地生态系统中的运用
eDNA 技术的发展及在极地生态系统中的运用
摘 要： 应用环境 DNA(eDNA)技术高效准确地完成极地水生态系统(极区大洋,近岸海
域及湖泊、溪流等)中生物的物种鉴别、多样性分析等研究工作,对开发极地地区生物资源、预
测全球水生态系统变化趋势和平衡稳定和研究极端生境生态学问题等具有重要价值。近年来,
eDNA 技术发展迅速,有效地改进了传统方法在水生态系统研究中的缺点,提高了对水生生物的
调查工作的效率。文章综述了 eDNA 技术对极地水环境中的鱼类、底栖生物、浮游生物、浮游
细菌、病毒等水生生物的生物多样性分析、物种鉴定、种群结构分析及生态学等方面研究的应
用进展。eDNA 技术作为一种新兴的生物调查方法,有能力加速更新分子时代的现代生物多样性
调查的方法,在研究极地水生生物多样性上具有极大的前景。
Abstract： Environmental DNA(eDNA) technology has been applied to efficiently and
accurately carry out research works involving species identification and persity analysis of organisms
in polar aquatic ecosystems(such as polar oceans, coastal waters, lakes, and streams). This is of great
value for the development of biological resources in polar region, prediction of changes in the balance
and stability of global aquatic ecosystems, and research on ecological issues in extreme habitats. In
recent years, eDNA technology has developed rapidly, effectively addressing the disadvantages of
traditional methods in the study of aquatic ecosystems, and improving the investigation of aquatic
animals. This review describes progress in the application of eDNA technology in biopersity analysis,
species identification, population structure analysis, and other ecological research on aquatic
organisms such as fish, benthic organisms, plankton, and viruses in polar aquatic environments. As a
new biological survey method, eDNA technology can drastically accelerate the updating of modern
biopersity methodologies in the current molecular era, and has infinite prospects in polar aquatic
biopersity research.
Keyword： eDNA; polar; water environment; aquatic organism; biopersity;
0 、引言
环境 DNA(简称 e DNA)指直接从环境样品(如土壤、水和沉积物等)获得的遗传物质(DNA 片段)
[1,2]。e DNA 技术是通过从各环境介质中提取出特异性的 DNA 识别片段,使用 DNA 测序技术
分析所提取环境 DNA 的识别片段情况,定性或者定量地分析生物体在环境介质中的具体分布情
况和生态功能特征[1,2]。e DNA 对原位采样生境中的生物类群无扰动性,因此还有可能改善极地
水生态系统的环境管理和评估方法[3]。e DNA 技术在水生态系统可以进行目标物种的鉴别(如
外来入侵物种、濒危物种和珍稀物种)、生物多样性监测与评价等工作。
1 、e DNA 技术的发展简介
e DNA 技术发展离不开 DNA 测序技术的发展,自20 世纪 70 年代中期的第一代测序技术诞生以
来,DNA 测序技术已经取得了重大进展[4,5](图1)。第一代测序技术出现在 1977 年,即Maxam 和
Gilbert 发明的化学降解法及 Sanger 的双末端终止法[6,7]。基于第一代测序技术的发展,2003 年
提出的条形码技术通过用特定的短 DNA 序列将物种进行比对,实现了对生物的分类鉴定[8]。接
下来应运而生的第二代测序技术(next-generation sequencing technology,NGS,即高通量测序技术),
解决了第一代测序通量低、无法达到大规模应用的问题,为生物分子研究做出了巨大贡献。e
DNA 宏条形码技术在二代测序的基础上通过对 e DNA 片段进行测序,并将所得序列与标准条形
码对比,鉴定目标生物的种类[9]。1988 年,Handelsman 等[10]提出的宏基因组学概念为研究微生
物提供了新的思路和方法。但直到基于第二代测序技术的宏基因组学分析方法建立才使直接从
环境样本中提取基因组 DNA 后进行测序分析成为可能。宏基因组学技术是基因克隆文库的进
一步深化,避免了微生物培养的繁琐过程,促进了对极端环境下生物多样性及功能的认识,在e
DNA 技术的应用中扮演不可或缺的角色[11]。随着人们对DNA 的研究进一步发展,第三代测序
技术已不再依赖聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)技术[12]。
自步入基因组学时代,e DNA 技术经过 10 余年的发展,从1987 年开始在环境微生物学领域应用,
微生物学家Ogram 等[13]成功地从湖底沉积物中提取出环境微生物的 DNA。2000 年,“e
DNA”第一次在文献中出现,该研究中利用细菌人工染色体(BAC)载体构建了基因组 DNA 文库,
并表明了 BAC 文库中含有多种环境 DNA,在研究土壤微生物多样性方面有巨大的潜力,使e
DNA 技术真正得到认可[14,15]。2008 年,e DNA 技术第一次运用于水生态系统中,研究人员利用
从水样中提取的 DNA 去检测一种原产于北美的入侵性两栖动物美国牛蛙是否入侵水域中[1]。
之后,e DNA 技术开始广泛应用于水生系统生物研究中。2014 年,研究员第一次利用e DNA 技术
检测萨卡里亚河中4种常见的入侵鱼类,调查表明了 e DNA 可以用作监测淡水生态系统中入侵
鱼类的重要分子工具[16]。
随着 e DNA 技术的日益成熟,其应用由对物种监测的定性研究到现在对生物量评估的相对定量
分析,研究对象由微生物研究到两栖动物、淡水鱼类、海洋鱼类、爬行动物和腹足动物研究等
[17]。第二代测序技术的发展促使e DNA 技术迅速推广,在物种鉴定研究上由当初的单个物种鉴
定过渡到整个生物群的分析鉴定[18]。比如,NGS 技术已经成功用于对无脊椎动物(大样本)的整
个群落测序工作中[19,20,21,22]。此外,使用 e DNA 可监测濒临灭绝的淡水昆虫、甲壳类动物、
鱼类和哺乳动物,并可以通过 NGS 技术来解释对整个湖区的两栖动物和鱼类的监测情况[23]。
发展到如今的第三代测序已经可以不需要经过 PCR 扩增,就实现了对 DNA 分子的测序[24]。
图1 e DNA 发展历程导览图
Fig.1.Development path of e DNA
近年来将新一代 e DNA 技术[24]与机器学习[25]、卫星遥感[26,27]等技术联用,已经可以大尺
度、灵敏、自动地获取生态监测信息,识别水生态系统中水生生物群落的分布情况[28]。除此之
外,e DNA 技术还具有以下优点:优越的物种可检测性和特异性、成本较低且不会造成生态系统
干扰、无需获知物种的基本信息即可进行检测、可在无法进行传统调查的地区实施等,使得环境
DNA 技术作为一种新兴的监测方法,虽然仍需要考虑和避免许多陷阱和障碍,但该方法仍有能力
加速更新分子时代的现代生物多样性调查的方法,在生物多样性监测研究上具有极大的前景
[17]。
2 、e DNA 技术在极地生态系统中的应用
极地地区终年寒冷干燥,冰雪覆盖,给预测和改善极地环境的研究工作带来极大的不便,并且极地
生态系统是一个巨大的、潜在的淡水和生物资源库,是全球生态系统的重要组成部分。极地生物
是极地生态系统的物质循环和能量流动中的重要载体,其中有研究表明极地冰区的海洋鱼类物种
形成率明显高于热带海洋地区[29]。随着生物研究技术的不断发展,从分子和基因组水平对极地
生态系统的研究将丰富对其的科学认知。应用传统形态学方法对极地水生生物进行定性和定量
的研究有很大的局限性,如原位采样难度很大,样本完整性难以预测等。相对而言,在气候条件极
为恶劣的极地地区采用 e DNA 技术采样受限小、高效省时,在研究极地水生生物方面有较为突
出的优势。e DNA 技术现已广泛应用于极地水环境中鱼类、底栖生物、浮游生物、浮游细菌、
病毒等不同类群的多样性分析与评估、物种鉴定、群落的生物监测等方面的研究中。
2.1 、e DNA 应用于南大洋鱼类研究
近年来,e DNA 条形码技术被应用于极地鱼类的生物监测研究中,并实现了物种鉴定的标准化。
所依赖的常用条形码基因片段包括细胞色素 C氧化酶I(COI)基因、叶绿体基因 rbc L、18S 核糖
体RNA(18S ribosomal RNA,18S r RNA)基因、内转录间隔区(internal transcribed spacers,ITS)基
因、16S r RNA 和28S r RNA 等。Near 等[30]使用线粒体16S r RNA 的全基因序列对南大洋类
胡萝卜素鱼类 Performformes:Notothenioidei 进行系统发育研究发现南极鱼亚目鱼类的 5个主要
进化分支分别是:裸南极鱼科、阿氏龙?科、龙?科、鳄冰鱼科、南极鱼科。
李渊等[31]利用形态学鉴定和基于线粒体COI 基因的 e DNA 条形码技术对南大洋 Yelcho 站周
边海域的鱼类进行物种鉴定,从采集的8尾鱼类样品中成功鉴定出 3个有效种,有7尾是南极鱼科
鱼类,1 尾裸南极鱼科。结合两种方法对南极鱼类进行鉴定确保了鉴定结果的准确性和有效性。
研究不仅纠正了条形码参考数据库中的错误序列,一定程度上还反映出了南大洋鱼类的物种组成
和生物量均以南极鱼科鱼类为主[31]。
2.2 、e DNA 应用于底栖生物研究
底栖生物是水生生态系统的重要组成部分,亦是海洋环境质量的重要指标,对了解生态系统的结
构具有重要意义[32]。按生活方式可分为底栖植物(微藻、大型海藻等)和底栖动物。以底栖蓝
藻为例,蓝藻群落生物量会在极地湖泊和池塘的底栖环境大量生长,对固碳做出了重要贡献[33]。
在弗雷塞尔湖底栖环境的研究中发现有大量的蓝藻生物量积累。使用形态学和分子方法对南极
维多利亚州南部弗雷塞尔湖的天然和人工微生物垫中蓝藻的表型和基因型多样性进行分析
[34]。其中分子方法指包括 16S r RNA 基因克隆库,变性梯度凝胶电泳(denatured gradient gel
electrophoresis,DGGE)和测序[35],同时结合光学显微镜观察结果,鉴定出 8种形态性;而分子工具
则发现了 15 种系统型。分子结果表明南极蓝藻多样性远大于单独依托传统显微镜分析出的形
态分型。因此,分子工具能更完整地补充描述南极湖泊底栖中的蓝藻多样性。这也是首次采用
PCR 引物对 16S r RNA 基因和对蓝藻序列特异的 ITS 进行扩增,并进行蓝藻多样性分析的多相分
析的突破[34]。Destombe 等[35]采用 DNA 条形码技术对种在欧洲北大西洋和摩洛哥海岸两种江
蓠属大型藻类进行研究,利用3种独立标记的条形码 cox2-cox3 间隔区、叶绿体基因 rbc L 和ITS
2区域对其差异进行遗传分析,证实了北大西洋存在两个名为G.gracilis 的并行分支物种已有 200
年的历史[35]。研究同时证明多基因条形码能更精确地描绘这两种形态学物种并检测假定的杂
交的发生。刘晨临和林学政[36]利用形态学和 DNA 条形码对白令海海域和冰岛附近海域的褐藻
进行鉴定,并对其来源进行分析。其中采自白令海海域的褐藻为孔叶藻亚种(Agarum clathratum
subsp.Clathratu),来源于日本北海道,另一种为瘤状囊叶藻(Ascophyllum nodosum),常见于北大西
洋沿岸。
Grant 和Linse[37]应用 DNA 条形码技术对南极海洋地区包括韦德尔海、罗斯海在内十几个区域
的底栖无脊椎动物进行物种鉴定和遗传研究。研究发现这些水域中的无脊椎动物主要是甲壳
纲、环节动物和软体动物等 3类,该研究同时建议南极海洋地区还需要进行更深入的 DNA 条码
研究,来推动底栖动物的分子生态学研究。
2.3 、e DNA 应用于浮游生物研究
浮游生物可分为浮游动物和浮游植物。通过 e DNA 技术,不仅有助于准确地了解浮游生物生态
和功能的多样性、时空分布情况,同时还可获取物种间遗传进化信息,寻找新的基因功能。
浮游动物是由原生动物和后生动物组成的生物群落,主要有原生动物、轮虫、枝角类和桡足类等
四类。浮游动物生命周期短,生长迅速,对环境变化敏感,常被用作指示物种。相比而言,极地海域
的浮游动物的种群演替深受海水、海冰变化的影响,对于环境变动表现得更为敏感强烈,常被用
作研究全球气候变化对极地生态系统影响的重要指标[38]。DNA 条形码技术是对极地浮游动物
进行物种鉴定的一种常用方法。
在研究极地浮游动物生物多样性分析中,应用 e DNA 宏条形码技术可以极大地简化分析步骤。
程方平等[40]利用DNA 条形码技术验证了南极海域 DNA 条形码在浮游动物种鉴定的有效性,研
究中系统地比较分析了南极普里兹湾和南极半岛周边海域 35 种常见浮游动物的 124 条线粒体
COI 序列[39,40]。研究同时发现部分物种的种内遗传差异水平较高,表明DNA 条形码还可用作
摘要：
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eDNA技术的发展及在极地生态系统中的运用 摘 要：应用环境DNA(eDNA)技术高效准确地完成极地水生态系统(极区大洋,近岸海域及湖泊、溪流等)中生物的物种鉴别、多样性分析等研究工作,对开发极地地区生物资源、预测全球水生态系统变化趋势和平衡稳定和研究极端生境生态学问题等具有重要价值。近年来,eDNA技术发展迅速,有效地改进了传统方法在水生态系统研究中的缺点,提高了对水生生物的调查工作的效率。文章综述了eDNA技术对极地水环境中的鱼类、底栖生物、浮游生物、浮游细菌、病毒等水生生物的生物多样性分析、物种鉴定、种群结构分析及生态学等方面研究的应用进展。eDNA技术作为一种新兴的生物调查方法...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-04-20
