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彩投网app:Environment International | 姚蒙研究组开发被动eDNA采样方法助力生物多样性监测与濒危物种检测

日期: 2024-05-06

2024年5月1日,彩投网app和生态研究中心姚蒙研究组在Environment International在线发表了题为“Passive eDNA sampling facilitates biodiversity monitoring and rare species detection”的研究论文。该研究在长江入海口与黄海沿岸比较评估了常规主动过滤法和课题组自主研发的被动采样器(PEDS采集环境DNA(eDNA)对鱼类多样性和濒危物种长江江豚的检测效果。eDNA宏条形码(metabarcoding)分析显示两种采样方法捕获了相当的物种丰富度和相似的群落结构,且长江江豚仅在PEDS样品中被检测到。物种特异性定量PCR(qPCR)结果显示,PEDS检出长江江豚的样点数、捕获的eDNA量和探测概率均高于过滤法。该研究验证了PEDS在复杂自然水体环境中采集eDNA调查生物多样性的应用潜力,突出了PEDS在捕获低丰度和偶发性物种方面的优势。与传统的水样过滤富集eDNA方法相比,PEDS展现了其在生物多样性监测和濒危物种检测中的灵敏性、高效性和便利性,为未来的生物监测和生态保护提供了新途径。

研究方法示意图及比较PEDS和常规过滤法检测鱼类多样性结果。

为了科学保护淡水和海洋生态系统,准确高效地评估水生生物多样性及其变化趋势至关重要。eDNA技术利用环境中脱落的DNA(例如,水、土壤、空气)而非直接捕获生物体,实现高效且非侵入性地生物群落调查。尽管eDNA技术提高了生物监测的效率和准确性,但常规的主动过滤的eDNA采集方法仍面临诸多挑战,包括劳动强度大、耗时长、滤膜易堵塞、交叉污染风险高,以及对过滤设备和电源的依赖等。本课题组研发的基于玻璃纤维滤膜的PEDS通过被动吸附收集水中的eDNA,避免了诸多主动过滤法的缺陷,提供了一种更简便、高效、经济的替代方案。然而,对于生物多样性丰富且环境复杂的自然水体,该eDNA采样方法的有效性尚未得到充分验证。

1. 左:PEDS构成示意及实物图;右:研究区域、采样点设置和两种eDNA采样方法检测鱼类多样性和长江江豚的结果。

该研究区域设置在具有丰富的淡水、咸淡水及海洋生物群落的长江入海口与黄海沿岸(1)。长江,作为亚洲最长、世界第三长的河流,其河口流入黄:投5慕换闱,是世界生物多样性极为丰富的生态系统之一。淡水与海水的交汇带来了充沛的营养物质,为水生生物的觅食、产卵和幼体生长发育提供了理想环境,同时也是鱼类洄游的重要通道。

课题组在这一生物多样性极为丰富且生态环境复杂的区域利用主动过滤与PEDS两种方法进行eDNA采集,并运用eDNA metabarcoding方法进行分析。研究结果显示共计检出98种淡水和海洋鱼类,两种方法捕获的鱼类物种丰富度无显著差异(2)。基于相对序列丰度数据的鱼类群落分析显示,两种采样方法获得的全研究区域的群落和单个样点的群落结构均相似(PERMANOVA, p > 0.05)。空间约束的层次聚类分析显示,两种采样方法均呈现出长江与海水生境鱼类群落构成的明显差异(3)。

2.a)两种采样方法检出鱼类物种数量的累计曲线;(b)两种方法在各采样点上检出物种数的成对比较。

3. 基于空间约束的群落层次聚类分析。结果显示两种eDNA采样方法检测鱼类群落沿江(海)岸的空间变异模式相同。

有趣的是,利用eDNA metabarcoding方法在5个采样点的PEDS样品中检测到长江江豚1),而在所有过滤样品中均未发现其踪迹。长江江豚是长江中下游的特有物种和我国一级重点保护野生动物。白鱀豚灭绝后,江豚成为长江中唯一的鲸豚类动物。然而,受食物资源匮乏、航运干扰、水利工程建设和水质污染等人类活动的影响,长江江豚濒临灭绝。IUCN红色名录将其列为极危(CR)物种,目前野生种群数量仅存1000余头。为了评估不同eDNA采样方法在检测水生稀有物种方面的定量效能,进一步使用长江江豚物种特异的引物进行qPCR分析。qPCR结果显示,有7个采样点的PEDS样品检测到了江豚的eDNA,相比之下,仅在2个采样点的水过滤样品中检出了江豚。此外,PEDS样品中富集的eDNA浓度显著高于过滤样品(4)。占域模型的分析结果显示,PEDS对江豚的探测概率为0.803(SE: 0.091)高于过滤方法的探测概率0.407(SE: 0.095)。

4. 两种采样方法检出的长江江豚eDNA浓度。

该研究验证了PEDS在复杂的水生(淡水、咸淡水及海洋)生态系统中进行eDNA采集和生物多样性监测的有效性。相较于传统的水过滤富集eDNA方法,PEDS在探测稀有和偶发的物种方面展现出优势。本研究被动eDNA采样方法的发展将有助于高效、经济、便利地应用eDNA技术进行生物多样性调查、濒危物种探测、入侵物种监测等。

研究者在长江(左)与黄海沿岸(右)进行eDNA样品采集。

彩投网app博士生陈晓宇为本论文的第一作者,姚蒙研究员为论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、彩投网app生命科学院启东创新基金等的资金支持。感谢彩投网app启东实践团所有参与和协助野外工作的老师和同学。感谢彩投网app生命科学产业研究院及启东早鹰教育员工给予采样活动的支持。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.envint.2024.108706

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