環境DNA及其在水生生態系統保護中的應用研究

巴日斯

（呼倫貝爾市環境監測中心站 內蒙古呼倫貝爾市 021008）

引言

對于生態系統來說，由于其系統具有一定的復雜性，尤其是部分物種還具有隱蔽性強、數量少、體型小等特點，有效觀察的難度相對比較大，甚至還有部分生物在一定的生長發育階段中進行種屬鑒定的難度比較大，這些現象的存在都大大增加了生物多樣性的調查難度。隨著科學技術的發展，改進和優化了傳統的生物檢測手段，其中對于環境DNA技術來說，不會對所調查的物種造成損傷，同時效率和靈敏度都比較高，逐漸得到廣泛應用。

1　環境DNA概述

環境DNA指的是可以直接從冰芯、空氣、土壤、水等環境樣品中直接提取到的DNA片段總和，是來自不同植物、動物、微生物等物種DNA思維混合物，一方面包括生物通過粘液、糞便、尿液、皮膚等是放到環境當中的，屬于表皮細胞中的胞內DNA；另一方面保護死亡后細胞裂解到環境當中的胞外DNA[1]。環境DNA的基礎是確定調查種群或物種的特異性基因識別片段，從環境介質中借助相應的分子手段提取環境DNA的識別片段情況，通過綜合分析后就能夠得到取樣環境當中生物的具體分布情況。在近幾年環境DNA技術已經逐漸廣泛的應用到水生生物入侵的水體生物多樣性、早期檢測等調查當中。

2　在水生生態系統保護中對環境DNA的應用

2.1　檢測是否存在目標物種

通過對水體中是都存在目標物種所釋放的DNA，就能夠有效判斷出在這一水體中目標物種是否存在，目前在瀕危物種、入侵物種、稀有物種等檢測中就廣泛的應用了環境DNA技術。比如就生物入侵來說，會造成生態系統功能損傷、生態系統退化、生物多樣性喪失等全球問題出現的一大原因，盡可能早的發現并采取相應的措施有效遏制，是應對生物入侵的重要環節[2]。但是在入侵早期，入侵生物的數量還比較少，如果用傳統檢測方法的話不僅僅工作量大，同時還容易對生物入侵程度產生低估。而采用環境DNA技術，即使在入侵生物數量比較少的階段中，也能夠有效檢測出目標物種，進而具有較大的應用意義。到目前為止，環境DNA技術已經在泥螺、亞洲鯉魚、緬甸蟒蛇、美國牛蛙等物種入侵中得到良好應用。

2.2　生物量估測

相關調查研究結果顯示，水體中環境DNA的量與生物量之間呈正比例關系，研究人員已經在水體中生物種群密度檢測中有效應用這一技術。比如在2012年，Takahara等就應用環境DNA技術對日本Iba--naiko湖中的的鯉魚進行生物量評估。首先在半野外或實驗室條件下對野外環境進行模擬，對環境DNA與鯉魚數量之間存在的相關性進行深入研究，研究結果顯示環境DNA的濃度和鯉魚的數量之間呈正比例關系，并能夠組成線性方程。其次在Iba--naiko湖當中取樣，通過樣品中環境DNA的量對湖中鯉魚實際分布情況及數量進行有效評估。但其中需要注意的是，無論是半野外條件還是實驗室條件，與實際的野外條件之間都存在較大差異，如微生物種類、光照、湍流度、pH、溫度變化等，而這些因素都會對環境DNA降解和產生速度產生嚴重影響，因此這種方法還有待進一步改進和優化，全面提高其測試結果的準確性[3]。

2.3　生物多樣性評估

隨著第二代測序工具的誕生，環境DNA從檢測一個樣品轉變成同時檢測多個樣品成為可能，目前在水生生態系統生物多樣性檢測中已經得到有效應用。在二代測序中所使用的策略主要是“邊合成邊測序”，通過對延伸的DNA鏈合成末端多發出的熒光進行捕捉，然后轉化成一個測序峰值獲得互補鏈序列信息。在測序中通過使用芯片，就能夠同時測序多個DNA鏈，完成大規模平行測序。一般情況下，某種DNA在樣品中被測序的次數就能夠代表其序列在樣品中的豐度，這表示在環境DNA技術中還具有定量功能，這都為在生物多樣性調查中應用環境DNA技術提供依據[4]。在單次反應中應用大規模平行測序，就能夠對多種生物的DNA序列檢測出來，然后比較GenBank當中的基因序列就能夠很好的明確這一區域內生存的物種，同時借助定量功能也能夠對在采樣水域中該物種的相對豐度進行間接分析。

結語

總的來說，相較于傳統生物檢測手段環境DNA技術具有顯著的優勢，能夠有效提高水生生態系統檢測效率和質量，通過應用環境DNA就能夠全面掌握水生生態系統的實際情況，進而有效制定相應的保護措施，維護生態平衡。

[1]姜維,趙虎,鄧捷,王啟軍,孔飛,張紅星.環境 DNA 分析技術—一種水生生物調查新方法[J].水生態學雜志,2016,37(05):1-7.

[2]陳煉,吳琳,劉燕,徐海根.環境 DNAmetabarcoding 及其在生態學研究中的應用[J].生態學報,2016,36(15):4573-4582.

[3]于水強,王文娟,B.LarryLi.環境DNA技術在地下生態學中的應用[J].生態學報,2015,35(15):4968-4976.

[4]徐浩,羅茜,李云,薛洋,葉勤.環境DNA研究技術及其在生態學領域的應用[J].生物技術通報,2014,(10):49-55.