當(dāng)溪流成為“基因檔案”，科學(xué)家如何利用環(huán)境DNA保護(hù)水生生物？

近年來，環(huán)境DNA（environmental DNA，簡稱eDNA）技術(shù)在生態(tài)學(xué)研究中迅速崛起，已經(jīng)成為監(jiān)測水體生物多樣性的一種革命性方法。通過分析水樣中的遺傳物質(zhì)，科學(xué)家能夠高效、準(zhǔn)確地檢測出水體中魚類、兩棲動物、昆蟲和微生物等生物的存在。然而，盡管eDNA技術(shù)的優(yōu)勢顯著，研究人員對其在動態(tài)水體（如溪流和河流）中的行為仍缺乏深入了解。面對這些挑戰(zhàn)，一個(gè)由美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State）研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，試圖破解eDNA在溪流中的“命運(yùn)之謎”。

eDNA技術(shù)的崛起與困境環(huán)境DNA技術(shù)允許研究人員無需直接捕捉生物個(gè)體，就能通過水樣分析來判斷特定生物的存在。這種非侵入性的方法使得生態(tài)監(jiān)測更加快捷、有效，并顯著減少了對生態(tài)系統(tǒng)的干擾。如今，eDNA技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多種環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)工作中。例如，它被用于檢測美國五大湖區(qū)（Great Lakes）流域的入侵物種亞洲鯉魚（Asian Carp），以及監(jiān)測薩斯奎哈納河流域（Susquehanna River Basin）中的美洲鰻魚（American eel）和美國東部山區(qū)溪流中的大地蜥蜴（Hellbender）。

?綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

不過，eDNA技術(shù)的廣泛應(yīng)用也暴露出其在動態(tài)水體中的局限性。科學(xué)家們對eDNA在自然環(huán)境中如何運(yùn)動、降解、沉積和再懸浮知之甚少。這種知識的缺乏，使得對eDNA檢測結(jié)果的解讀存在著不確定性。例如，當(dāng)在水樣中檢測到某種生物的eDNA時(shí)，究竟是當(dāng)前該生物的存在，還是由于水流將eDNA從其他地方帶來的？這些問題至今未能得到明確解答。

解碼環(huán)境DNA在溪流中的命運(yùn)
為解決這些困境，美國賓州州立大學(xué)（PSU）的水生生態(tài)學(xué)助理教授丹尼爾·艾倫（Daniel Allen）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)獲得了美國國家科學(xué)基金會（NSF）提供的195萬美元資助，計(jì)劃用五年的時(shí)間深入研究eDNA在溪流中的運(yùn)動和降解機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)將與阿拉巴馬大學(xué)和北德克薩斯大學(xué)的科學(xué)家合作，專注于研究影響eDNA命運(yùn)的三大機(jī)制：降解、沉積和運(yùn)輸。

該研究將涵蓋全美24條溪流，這些溪流都是國家生態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)（National Ecological Observatory Network, NEON）的一部分。NEON網(wǎng)絡(luò)通過其陸地、水生、大氣和遙感測量基礎(chǔ)設(shè)施，向科學(xué)界提供標(biāo)準(zhǔn)化和校準(zhǔn)后的開放數(shù)據(jù)。艾倫解釋道，eDNA在下游流動過程中會經(jīng)歷降解、沉積和再懸浮等過程，這些過程統(tǒng)稱為“eDNA螺旋化”（eDNA spiraling）。該研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在不同溪流中開展一系列實(shí)驗(yàn)，測試水體化學(xué)成分和微生物群落如何影響eDNA的命運(yùn)。

咱們來想象一下，假設(shè)河流是一條“傳送帶”，那么，生物的DNA就是搭乘這條傳送帶的“小包裹”。這些小包裹在傳送的過程中可能會被打開、丟失或者被其他東西包裹起來。這就是eDNA螺旋化的過程，它揭示了DNA在水體中的“命運(yùn)”。eDNA螺旋是理解eDNA在水生態(tài)系統(tǒng)中行為的關(guān)鍵。通過研究“eDNA螺旋化”，就可以更準(zhǔn)確地評估水體中的生物多樣性，并為水生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

探索新方法與創(chuàng)新應(yīng)用
為了更好地理解eDNA在溪流中的行為，研究團(tuán)隊(duì)將使用一種不存在于這些溪流中的商業(yè)魚類作為eDNA來源，向溪流中釋放新型eDNA，并追蹤其擴(kuò)散和降解過程。研究將在美國阿拉巴馬州的Mayfield Creek、德克薩斯州的Pringle Creek以及賓州州立大學(xué)附近的Shale Hills關(guān)鍵區(qū)觀測站的Shaver’s Creek等地開展。通過這些實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們希望能夠確定不同物種的eDNA是否在溪流中有不同的持久性，并探討eDNA顆粒大小是否會影響其在水體中的運(yùn)動模式。

填補(bǔ)知識空白，為環(huán)境保護(hù)提供新工具
以往，科學(xué)家們對環(huán)境DNA在靜止水體（如湖泊和池塘）中的行為已經(jīng)有比較多的研究，但在流動水體（如溪流和河流）中的研究相對較少。溪流和河流的動態(tài)環(huán)境條件復(fù)雜多變，這對eDNA的降解速度、沉積行為和再懸浮情況都有重要影響。要將eDNA技術(shù)發(fā)展成為一種可靠的水生生物監(jiān)測工具，解決這些知識空白至關(guān)重要。

除了基礎(chǔ)研究，該研究團(tuán)隊(duì)還將參與NSF資助的Emerge項(xiàng)目，旨在通過培訓(xùn)本科生、研究生和早期職業(yè)科學(xué)家來擴(kuò)大淡水科學(xué)領(lǐng)域的參與度，特別關(guān)注來自弱勢群體的科學(xué)家。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在賓州州立大學(xué)、阿拉巴馬大學(xué)和北德克薩斯大學(xué)這三所大學(xué)舉辦關(guān)于DNA生物信息學(xué)的工作坊，以幫助參與者掌握數(shù)據(jù)分析和可視化技術(shù)。

通過這些創(chuàng)新研究，科學(xué)家們希望能夠深入了解環(huán)境DNA在溪流生態(tài)系統(tǒng)中的行為模式，為未來的環(huán)境管理和生物多樣性保護(hù)工作提供更加科學(xué)的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。丹尼爾·艾倫（Daniel Allen）表示，正是這些前沿研究的機(jī)會吸引他來到賓州州立大學(xué)，并讓他能夠借助這里的基因組核心設(shè)施和微生物組研究中心等資源，開展深入的DNA分析技術(shù)研究。

細(xì)心的讀者可能注意到，2024年6月初，美國發(fā)布了一份重要的文件《美國國家水環(huán)境DNA戰(zhàn)略》（NATIONAL AQUATIC ENVIRONMENTAL DNA STRATEGY）。上面提到的這項(xiàng)研究，筆者認(rèn)為，或許與《美國國家水環(huán)境DNA戰(zhàn)略》具有很強(qiáng)的相關(guān)性。這項(xiàng)研究中開發(fā)的eDNA分析方法可以為其他地區(qū)和國家提供借鑒，推動eDNA技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

海洋與濕地·小百科

eDNA螺旋化eDNA螺旋化（eDNA spiraling）是指環(huán)境DNA在流動水體中經(jīng)歷的復(fù)雜動態(tài)過程，涉及DNA的降解、沉積、再懸浮和傳播。具體來說，eDNA在水中隨著時(shí)間逐漸降解，也可能沉積在底部沉積物中，或因水流擾動而重新懸浮并進(jìn)一步擴(kuò)散。

換句話說，eDNA螺旋化是環(huán)境DNA在水生態(tài)系統(tǒng)中的一段“生命旅程”。在這個(gè)過程中，eDNA分子如同漂浮在水中的小船，經(jīng)歷著降解、沉積和再懸浮等一系列變化。水體的化學(xué)成分、如pH值、鹽度和溶解氧含量，以及物理因素如水流速度、溫度和湍流強(qiáng)度，都會顯著影響eDNA的穩(wěn)定性和遷移。此外，水體中的微生物群落也會通過分解eDNA或?qū)⑵湮降郊?xì)胞表面等方式，影響eDNA的濃度和分布。理解eDNA螺旋化有助于提高eDNA技術(shù)在水生生物監(jiān)測中的準(zhǔn)確性和應(yīng)用效果。

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編譯 | 王芊佳
編輯 | Sara
排版 | 綠葉

參考資料略