2024-08-27
環(huan)境(jing)(jing)DNA（eDNA）技術是指利用如土(tu)壤、水體、糞(fen)便等(deng)環(huan)境(jing)(jing)樣本中直接提取(qu)的DNA，這些DNA可能來自生物殘體細胞、分泌物、排(pai)泄物、血液等(deng)。通(tong)過如下(xia)兩種方式進行測序： （1）直接對DNA（或cDNA）進行建庫測序； （2）擴(kuo)增特(te)征基(ji)因，對擴(kuo)增產物建庫，進行高通量測序，即為(wei)eDNA宏條形碼技術。 第(di)一種(zhong)方式就(jiu)是(shi)我們常說(shuo)的宏組學。主(zhu)要(yao)適合于病毒、古菌、細菌、真菌等在生物(wu)。第(di)二種(zhong)方式是(shi)擴(kuo)增子技術，通過特定的標記(ji)基(ji)因(yin)(yin)，來檢(jian)測(ce)攜帶該基(ji)因(yin)(yin)的類(lei)(lei)群(qun)在樣(yang)本采集點附近(jin)的情況。表1.1匯總了常見類(lei)(lei)群(qun)分(fen)析(xi)使用的eDNA技術與標記(ji)基(ji)因(yin)(yin)。eDNA宏條(tiao)形碼(ma)技術近(jin)年來受到了廣泛關注，并逐漸應用于生物(wu)多樣(yang)性研(yan)究(jiu)、生物(wu)監測(ce)、食性研(yan)究(jiu)、古環境(jing)分(fen)析(xi)、珍稀(xi)瀕危物(wu)種(zhong)和外(wai)來入侵(qin)物(wu)種(zhong)檢(jian)測(ce)等生態學領域。 eDNA宏條形碼技術適用的研究方向眾(zhong)多(duo)
表1.1 常見目標類群分析
eDNA 宏條形碼技(ji)術可對水(shui)體中多(duo)種類(lei)群的(de)(de)eDNA 短片段進行(xing)(xing)擴增(zeng)，并(bing)與高通量(liang)測(ce)(ce)序(xu)(xu)技(ji)術相(xiang)結合(he)，允許同時對數(shu)十(shi)至數(shu)百個樣本進行(xing)(xing)大(da)(da)規模(mo)并(bing)行(xing)(xing)測(ce)(ce)序(xu)(xu)分(fen)析，是有效的(de)(de)大(da)(da)尺度生(sheng)物監(jian)測(ce)(ce)手段。使用eDNA技(ji)術監(jian)測(ce)(ce)魚(yu)(yu)類(lei)信息是比較常見的(de)(de)研究類(lei)型。Miya等人統計(ji)了魚(yu)(yu)類(lei)群體eDNA相(xiang)關研究的(de)(de)信息，指出目前(qian)對魚(yu)(yu)類(lei)監(jian)測(ce)(ce)使用較多(duo)的(de)(de)基因為(wei)12S rRNA基因，特別是MiFish-U/E引物對。關注(zhu)魚(yu)(yu)類(lei)群體常使用的(de)(de)基因包(bao)括12S rRNA、16S rRNA、18S rRNA、COI、Cytb等基因1。 Miya等(deng)人統(tong)計的eDNA宏條形碼技術監測(ce)魚類群體引物使用率 2022年，Zhang等人(ren)在(zai)Science Advances上發(fa)表eDNA研究(jiu)2。文章中利用12S rRNA基因擴增子測序（表1.2），對(dui)北京市109個定點和(he)定點的(de)魚(yu)類(lei)(lei)(lei)群落(luo)進行了(le)調查，探(tan)討了(le)環境變量在(zai)城市空間尺度上對(dui)魚(yu)類(lei)(lei)(lei)生物(wu)多樣性的(de)影響。研究(jiu)鑒定出52個本地(di)和(he)23個非(fei)(fei)本地(di)分類(lei)(lei)(lei)群，在(zai)水(shui)域(yu)和(he)水(shui)域(yu)中既(ji)有常見物(wu)種，也有生境特(te)有物(wu)種。結果顯示水(shui)質對(dui)本地(di)魚(yu)類(lei)(lei)(lei)多樣性的(de)影響很(hen)大(da)，但對(dui)非(fei)(fei)本地(di)魚(yu)類(lei)(lei)(lei)的(de)影響很(hen)小。
表(biao)1.2 上(shang)述研(yan)究引(yin)物列表(biao)
除(chu)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)魚(yu)類群體的(de)(de)(de)監(jian)測(ce)(ce)外，水體樣本eDNA技術還可以對(dui)浮游(you)(you)(you)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)、底棲(qi)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)等(deng)類群進(jin)行(xing)監(jian)測(ce)(ce)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)。下面列(lie)舉一些(xie)eDNA水體濾膜相關的(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)工作(zuo)。2019年(nian)(nian)，Wang等(deng)人在(zai)(zai)Microbiome上(shang)(shang)(shang)發表eDNA研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)3。文(wen)章(zhang)(zhang)(zhang)中(zhong)使(shi)用(yong)(yong)(yong)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)18S rRNA基(ji)因(yin)(yin)(yin)擴(kuo)增(zeng)子(zi)(zi)(zi)測(ce)(ce)序，分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)長江浮游(you)(you)(you)和(he)底棲(qi)硅藻的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)地理學信(xin)(xin)息。2020年(nian)(nian)Djurhuus等(deng)人在(zai)(zai)Nature Communications上(shang)(shang)(shang)發表eDNA研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)，分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)海洋群落的(de)(de)(de)季節(jie)變化和(he)潛在(zai)(zai)的(de)(de)(de)互作(zuo)4。文(wen)章(zhang)(zhang)(zhang)中(zhong)使(shi)用(yong)(yong)(yong)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)16S RNA、18S rRNA、12S rRNA、COI等(deng)基(ji)因(yin)(yin)(yin)的(de)(de)(de)擴(kuo)增(zeng)子(zi)(zi)(zi)測(ce)(ce)序，結果數據集包(bao)(bao)含663個分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)類群（在(zai)(zai)科或更(geng)高的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)類等(deng)級），范圍從微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)到(dao)哺乳(ru)動(dong)物(wu)(wu)(wu)。文(wen)章(zhang)(zhang)(zhang)探(tan)究(jiu)(jiu)(jiu)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)群落組成的(de)(de)(de)變化，揭示了(le)(le)(le)(le)(le)(le)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)類群之間的(de)(de)(de)相互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)，并確定(ding)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)這(zhe)些(xie)群落與(yu)環(huan)境屬性之間的(de)(de)(de)相關性。利(li)用(yong)(yong)(yong)網(wang)絡(luo)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)解析(xi)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)捕食者(zhe)-獵物(wu)(wu)(wu)關系(xi)、營養聯(lian)系(xi)和(he)季節(jie)變化等(deng)。同(tong)年(nian)(nian)Carraro等(deng)人也在(zai)(zai)Nature Communications上(shang)(shang)(shang)發表eDNA研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)5。文(wen)章(zhang)(zhang)(zhang)中(zhong)使(shi)用(yong)(yong)(yong)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)COI基(ji)因(yin)(yin)(yin)擴(kuo)增(zeng)子(zi)(zi)(zi)測(ce)(ce)序，分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)包(bao)(bao)含Habroleptoides、Protonemura、Athripsodes等(deng)在(zai)(zai)內的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)多樣性信(xin)(xin)息，分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)淡水生(sheng)(sheng)(sheng)態系(xi)統生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)多樣性的(de)(de)(de)空間格局。2022年(nian)(nian)，Zhang等(deng)人在(zai)(zai)Water Research上(shang)(shang)(shang)發表eDNA研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)6。文(wen)章(zhang)(zhang)(zhang)中(zhong)利(li)用(yong)(yong)(yong)16S rRNA基(ji)因(yin)(yin)(yin)V3區(qu)和(he)18S rRNA基(ji)因(yin)(yin)(yin)V9區(qu)的(de)(de)(de)擴(kuo)增(zeng)子(zi)(zi)(zi)測(ce)(ce)序，從26個位點(dian)鑒定(ding)出136種浮游(you)(you)(you)植物(wu)(wu)(wu)，其(qi)中(zhong)藍藻31種，真(zhen)核浮游(you)(you)(you)植物(wu)(wu)(wu)105種。文(wen)章(zhang)(zhang)(zhang)指出，與(yu)形態學方法相比，eDNA宏條形碼技術在(zai)(zai)檢測(ce)(ce)納米/微(wei)型浮游(you)(you)(you)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)（< 20 μm）方面具有明(ming)顯的(de)(de)(de)優勢(shi)。2023年(nian)(nian)，Novotny等(deng)人在(zai)(zai)Science Advances上(shang)(shang)(shang)發表eDNA研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)7。文(wen)章(zhang)(zhang)(zhang)中(zhong)利(li)用(yong)(yong)(yong)16S rRNA基(ji)因(yin)(yin)(yin)擴(kuo)增(zeng)子(zi)(zi)(zi)測(ce)(ce)序，分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)浮游(you)(you)(you)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)。表1.3匯總(zong)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)上(shang)(shang)(shang)述文(wen)章(zhang)(zhang)(zhang)中(zhong)使(shi)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)擴(kuo)增(zeng)子(zi)(zi)(zi)基(ji)因(yin)(yin)(yin)和(he)引物(wu)(wu)(wu)信(xin)(xin)息。此外，Burki等(deng)人對(dui)原(yuan)生(sheng)(sheng)(sheng)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)eDNA研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)進(jin)行(xing)了(le)(le)(le)(le)(le)(le)綜述介紹8，強調了(le)(le)(le)(le)(le)(le)使(shi)用(yong)(yong)(yong)eDNA條形碼技術可以有效探(tan)究(jiu)(jiu)(jiu)這(zhe)些(xie)微(wei)型生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)多樣性和(he)豐(feng)富(fu)性。對(dui)于原(yuan)生(sheng)(sheng)(sheng)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)eDNA研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)常使(shi)用(yong)(yong)(yong)18S rRNA基(ji)因(yin)(yin)(yin)V4和(he)V9區(qu)。 表1.3 上述研究(jiu)引物(wu)列(lie)表
水(shui)環(huan)境的樣本除(chu)了(le)水(shui)體(ti)濾(lv)膜外，還(huan)可以是(shi)沉積底泥(ni)或(huo)者河岸土壤等
對于水體樣本的(de)(de)(de)采(cai)集，常(chang)用的(de)(de)(de)方法是分級過(guo)濾。可根據關注的(de)(de)(de)生(sheng)物類(lei)群選擇濾膜(mo)孔徑(jing)大(da)小，下(xia)方描述僅作參(can)考，請(qing)結合(he)實際關注的(de)(de)(de)分類(lei)群和文獻描述進行濾膜(mo)孔徑(jing)選擇： ” 細菌（bacteria）：一(yi)般選(xuan)擇(ze)0.22 μm 超微(wei)型浮游生物（picoplankton）：0.2-3 μm 微(wei)型(xing)浮游生物(wu)（nanoplankton）：3-20 μm 小型浮(fu)游(you)生物（microplankton）：20-200 μm 中型浮游生物（Mesoplankton）：180-2000 μm ” 注意：如考慮多個分(fen)類群，可以采用(yong)分(fen)級過(guo)濾(lv)(lv)(lv)的(de)形式。如Uyaguari-Diaz等人10選(xuan)擇105 μm孔(kong)徑(jing)濾(lv)(lv)(lv)膜(mo)進行預過(guo)濾(lv)(lv)(lv)，通過(guo)105 μm孔(kong)徑(jing)濾(lv)(lv)(lv)的(de)水(shui)體使用(yong)1 μm孔(kong)徑(jing)濾(lv)(lv)(lv)膜(mo)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)捕(bu)獲真(zhen)核生物(wu)細(xi)胞，通過(guo)1 μm孔(kong)徑(jing)濾(lv)(lv)(lv)的(de)水(shui)體再用(yong)0.2 μm孔(kong)徑(jing)濾(lv)(lv)(lv)膜(mo)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)捕(bu)獲細(xi)菌。
派森(sen)諾生(sheng)物在環境(jing)DNA領域項(xiang)目累(lei)積(ji)了眾多(duo)項(xiang)目經驗，并且擁有(you)豐(feng)富的標記基因自建庫，讓(rang)分析結果更加精準。如果您對eDNA項(xiang)目感興(xing)趣，歡迎前來溝(gou)通進一步溝(gou)通：021-80118168
參(can)考文獻： 1.Wang, S. et al. Methodology of fish eDNA and its applications in ecology and environment. Science of The Total Environment 755, 142622 (2021). 2.Zhang, S. et al. Environmental DNA captures native and non-native fish community variations across the lentic and lotic systems of a megacity. Sci. Adv. 8, eabk0097 (2022). 3.Wang, J. et al. Molecular biogeography of planktonic and benthic diatoms in the Yangtze River. Microbiome 7, 153 (2019). 4.Djurhuus, A. et al. Environmental DNA reveals seasonal shifts and potential interactions in a marine community. Nat Commun 11, 254 (2020). 5.Carraro, L., M?chler, E., Wüthrich, R. & Altermatt, F. Environmental DNA allows upscaling spatial patterns of biodiversity in freshwater ecosystems. Nat Commun 11, 3585 (2020). 6.Zhang, L. et al. eDNA biomonitoring revealed the ecological effects of water diversion projects between Yangtze River and Tai Lake. Water Research 210, 7.Novotny, A. et al. DNA metabarcoding highlights cyanobacteria as the main source of primary production in a pelagic food web model. Sci. Adv. 9, eadg1096 (2023). 8.Burki, F., Sandin, M. M. & Jamy, M. Diversity and ecology of protists revealed by metabarcoding. Current Biology 31, R1267–R1280 (2021). 9.Geller, J., Meyer, C., Parker, M. & Hawk, H. Redesign of PCR primers for mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I for marine invertebrates and application in all‐taxa biotic surveys. Molecular Ecology Resources 13, 851–861 (2013). 10.Uyaguari-Diaz, M. I. et al. A comprehensive method for amplicon-based and metagenomic characterization of viruses, bacteria, and eukaryotes in freshwater samples. Microbiome 4, 20 (2016).
