动物食性分析在生态学中的应用研究进展——基于DNA宏条形码技术

动物食性分析是动物营养生态学的重要研究手段,可用于解析动物与环境因素的关联性、捕食者与猎物之间的关系,以及动物物种多样性等科学问题。近年来,基于新一代测序技术的DNA宏条形码技术被广泛应用到生态学多个研究领域,极大地促进了生命科学交叉学科的发展。其中,DNA宏条形码技术在动物食性分析中具有高分辨、高效率、低样本量等优势,具有重要的应用前景。综述了基于DNA宏条形码技术的动物食性分析在生态学中的应用研究进展,并进一步总结了DNA宏条形码技术原理和食性分析方法,着重探讨了基于DNA宏条形码技术的动物食性分析在珍稀濒危动物保护、生物多样性监测、农业害虫防治等生态学研究领域中的应用,并对DNA宏条形码技术在动物食性分析中存在的问题及应用前景进行小结与展望。     

DNA宏条形码技术在鸟类食性分析中的运用

鸟类在全球广泛分布,不同鸟类物种利用的食物类群存在很大差异,而食性研究是动物营养学和生态学领域的重要研究内容。本文对一些传统鸟类食性鉴别方式及其不足进行回顾,传统鸟类食性鉴别方式包含扎颈法、剖胃法、粪便收集法、相机记录法等。随着测序技术的高速发展,DNA宏条形码技术出现,并广泛应用于动物食性研究。近些年来,该技术也被应用于鸟类食性研究中。本文综述了DNA条形码和DNA宏条形码的操作原理和条件,对鸟类食性研究中的DNA条形码与引物的选择做了详细介绍。对比传统鉴别方法,DNA宏条形码技术降低了物种鉴定难度,减少了人为影响因素,提高了目标样本中物种的鉴定效率,能对粪便、胃容物等混合或不成型样本进行分析。另一方面,在扩增多物种混合的DNA样品中的目标片段时,可能出现偏离,造成结果的不确定性,并且难以根据结果得出较准确各食物组分的比例。未来在使用宏条形码技术对鸟类食性的分析中,可结合其他方法改善对食物的量化以及食物属性的判断。     

基于DNA宏条形码技术分析香螺食性

底栖动物是海洋生态系统的重要组成部分, 在调控海洋生态系统的物质循环和能量流动过程中扮演了关键角色。腹足类动物通过捕食与被捕食行为调控着底栖生态系统的稳定性, 研究腹足类生物的食性有助于我们理解这一调控过程。香螺(Neptunea cumingii)是我国北方海域一种重要的腹足类动物, 具备极高的生态价值和经济价值。但是, 我们对其食性组成及生态功能的了解并不透彻。因此, 有必要探明自然条件下香螺现场食物组成, 提升对腹足类动物在我国北方海域底栖生态系统中所起调控作用的认识。本研究借助4份野生香螺胃含物样品, 以18S rDNA V4区和V9区为标靶, 利用DNA宏条形码技术对其胃含物真核生物进行分析。结果显示, 在4个样品中, 18S rDNA V4区和V9区共分别获得265,161条和221,998条高质量序列, 分别占各自原始序列的93.16%和86.54%, 分别注释到141个和490个OTUs; 虽然18S rDNA V4区获得的优质序列数及占比均更高, 但其注释到的物种数比18S rDNA V9区偏少。两个可变区所有OTUs分属17个门类, 包括动物界10门、真菌界5门、植物界1门, 以及SAR超类群, 包括不等鞭毛生物(Stramenopiles)、囊泡虫(Alveolates)和有孔虫(Rhizaria); 在纲水平上, 腹足纲、辅鳍鱼纲、吸虫纲和色矛纲相对丰度在两个可变区中均排名前十; 在OTU水平上, 两个可变区中3个以上样品中均有检出的物种仅分别占5.67%和8.08%, 且其共同属于软体动物门、脊椎动物亚门、子囊菌门及SAR超类群。总体上, 18S rDNA V4区和V9区两段DNA条形码分析结果显示, 香螺胃含物中真核生物种类丰富, 包括动物(如环节动物、节肢动物、软体动物)、真菌、植物和原生生物, 其中最丰富的类群是腹足类、鱼类、吸虫和真菌。在多个样本中只检测到一小部分共有OTUs, 这表明不同香螺摄食种类多变。结果表明, 香螺现场食性是一种机会主义捕食者, 动物尸体及海底沉积物可能是香螺自然状态下主要食物来源, 但同时其具备一定的清理附着生物潜能及植食性能力, 饵料可驯化性较强。其饵料组成受生存微环境影响较大, 具备一定的饵料驯化潜力。研究结果为深入了解香螺在海洋生态系统中的作用提供了数据支持, 并为香螺人工养殖饵料配比研究提供了新见解。     

基于DNA宏条形码技术的大兴安岭北部欧亚水獭冬季食性分析

欧亚水獭(Lutra lutra)是淡水生态系统重要的指示种和旗舰种, 然而在人为干扰和环境变化的背景下, 中国欧亚水獭种群数量大幅下降, 部分地区已局部灭绝。目前欧亚水獭主要分布于我国东北地区和西南地区, 其中大兴安岭是维持东北地区水獭种群稳定的关键区域。了解欧亚水獭的食性组成有利于理解其种间关系与生态系统功能, 对评估其生存状况、开展保护工作具有重要意义。本研究在大兴安岭北部共采集疑似欧亚水獭粪便样品50份, 使用DNA条形码技术对样品进行物种来源鉴定, 结果显示其中35份为欧亚水獭粪便。利用DNA宏条形码技术分析粪便中的物种组成, 共得到15种鱼类、2种蛙类、5种昆虫共计22种不同的物种类别。所有脊椎动物食物类别中, 杂色杜父鱼(Cottus poecilopus)的相对出现频率和相对序列丰度均最高, 分别为19.35%和27.32%, 其次为黑龙江林蛙(Rana amurensis), 分别为15.48%和21.73%; 科水平上, 杜父鱼科的相对出现频率和相对序列丰度均显著高于其他鱼类, 分别为32.26%和45.72%。结果表明, 大兴安岭北部欧亚水獭冬季主要捕食鱼类, 其次为蛙类, 其中鱼类主要以杜父鱼科为主; 此外还在少量水獭粪便中发现有蜻蜓目、襀翅目、毛翅目等水生昆虫, 可能来自水獭猎物。本研究结果可为了解水獭种群生存状况、制定相关政策、开展保护工作提供重要参考依据。     

基于DNA宏条形码技术的中华穿山甲食物组成与季节性变化

研究动物食性能够为物种生存状况和生态系统功能评估提供重要参考。中华穿山甲(Manis pentadactyla)在维持生态系统平衡方面扮演关键角色,开展食性分析能够加深对穿山甲采食策略的理解,为物种保护提供数据支撑。本研究使用采集于湿季(4—9月,n=4)、干季(10月—翌年1月,n=6)的野外粪便样本,基于高通量测序和DNA宏条形码技术,分析了中华穿山甲的食物组成及其季节性变化。结果如下：(1)共获得有效序列478706条,有效OUT 597个,其中37.35%、40.54%、8.54%、10.39%、3.18%的OTU分别鉴定到纲、目、科、属、种水平。(2)中华穿山甲的食物由14目17科17属18种的猎物组成,主要为蜚蠊目(Blattaria),占全部序列的81.11%。(3)α多样性与β多样性的分析结果显示,中华穿山甲食物丰富度在干、湿季节间无显著差异,但食物组成存在显著差异。(4)蚁类的分析结果显示,湿季,中华穿山甲采食白蚁类(目、科、属、种水平相对序列丰度RRA:RRA=32.14%、40.48%、44.38%、44.48%)与蚂蚁类(RRA=40.41%、49.73%、54.61%、55.30%)相对均衡,干季基本仅捕食白蚁类(RRA=87.95%、90.07%、89.88%、99.95%);土白蚁属(Odontotermes)为中华穿山甲干季的主要食物组成,盲切叶蚁属(Carebara)与大头蚁属(Pheidole)为中华穿山甲湿季的主要食物组成。综上所述,中华穿山甲的猎物以白蚁类与蚂蚁类为主,且存在季节性变化。     

基于DNA宏条形码技术的杭州萧山国际机场家燕春夏食性分析及防治策略

2022—2023年期间,杭州萧山国际机场累计鉴定鸟击残留物样本154例,涉及54种鸟类,其中家燕(Hirundo rustica)为出现频率最高的鸟种,共检测到9次,鸟击风险较高。为降低家燕对飞行安全的威胁,利用DNA宏条形码技术(DNA metabarcoding technology)检测肠道内容物,对机场春夏两季的家燕进行食性分析。同时结合机场调查数据,有效地掌握了家燕的食源分布。结合机场实地调研数据,研究结果发现麻蝇科、果蝇科、蚊科、丽蝇科、蝇科和灰蝶科都属于动物性食物,其中麻蝇科为主要食物,而滋养食源的相关植物有蔷薇科、禾本科、伞形科、千屈菜科、桑科、榆科、百合科和柏科,蔷薇科则是主要滋养物。通过α多样性指数比较发现,动物性食物多样性在夏季显著高于春季(Shannon指数,P<0.05),群落物种分布更均匀,而与家燕食源相关的植物丰富度在春季则显著高于夏季(Chao1和Observed＿species指数,P<0.05),造成这种差异动态的因素可能是机场区域温度变化。通过β多样性指数比较发现,动物性食物和食物链相关植物组成差异在春、夏季不明显。针对家燕的食性组成以及食物资源的分布模式,我们建议机场应提高收割植物籽实频率,扩大收割面积,排查家燕营巢区域,规范水稻、大豆等作物种植,妥善处理机场垃圾,定期喷洒杀虫剂,设立昆虫诱捕装置,清理植草区虫卵虫蛹,以降低家燕鸟击事件的发生概率。与传统食性分析相比,通过DNA宏条形码技术比较了不同季节食性,补充了目前发现的家燕食物组成,并且对机场的鸟击防范政策实施具有指导意义。     

DNA宏条形码技术在海洋浮游动物多样性和生态学研究中的应用

浮游动物是海洋生态系统的关键类群,其覆盖门类广泛,多样性高。传统形态鉴定技术需要检测人员具备专业的形态鉴定知识,且费时费力。宏条形码技术无需分离生物个体,而是提取拖网采集到的浮游动物混合样本的总DNA,或者水体中的环境DNA （eDNA）,依托高通量测序平台测序,能够实现对大规模样本快速、准确、经济的分析,在海洋浮游动物生态学研究中得到越来越广泛的应用。分析了DNA宏条形码技术常用的核糖体和线粒体分子标记,在浮游动物多样性和数量研究中的可靠性和不足,并给出在海洋浮游动物群落监测,食物关系分析及生物入侵早期预警等研究中的应用。未来,开发多基因片段组合条形码,发展完备的参考数据库及实现准确的量化研究是DNA宏条形码技术发展的重要方向。     

环境DNA宏条形码在生物多样性研究与监测中的应用

环境DNA宏条形码(eDNA metabarcoding)技术通过提取水体、土壤、空气中的环境DNA,使用引物PCR扩增与高通量测序,进行物种鉴定与生物多样性评估.作为一种新的监测技术,相比于传统监测技术更加快捷、准确以及对自然环境的破坏小,因此在一定程度上改变了我们调查地球生物多样性的方式.本文综述了环境DNA宏条形...     

基于分子宏条形码分析四川卧龙国家级自然保护区雪豹的食性

作为中亚和青藏高原山地生态系统中的顶级捕食者, 雪豹(Panthera uncia)对于维持食物网结构和生态系统稳定性有重要作用。了解雪豹的食性组成和变化对于理解其生态系统功能和物种间相互作用有重要意义。以往的雪豹食性分析多基于对其粪便中食物残渣的形态学鉴定, 但准确度受人员经验和主观因素影响较大。邛崃山脉位于雪豹分布区东南缘, 该区域的雪豹种群规模小且相对孤立, 研究匮乏。本研究基于非损伤性取样, 在邛崃山脉的卧龙国家级保护区采集疑似雪豹粪便样品38份, 首先提取粪便DNA, 并扩增线粒体DNA 16S rRNA基因片段进行分子物种鉴定, 确定其中22份为雪豹粪便样品。随后, 利用脊椎动物通用引物和雪豹特异性阻抑引物扩增粪便DNA中的食物成分, 并进行高通量测序, 分析雪豹食性构成。食性分析结果显示岩羊(Pseudois nayaur)是卧龙地区雪豹最主要的食物, 在67%的样品中均有检出。家牦牛(Bos grunniens)在33%的样品中出现, 也在雪豹食性中占较高比例。此外, 鼠兔(Ochotona spp.)和鸟类也在少量样品中发现。可见, 野生猎物是卧龙地区雪豹的主要食物资源; 与大世界大多数其他地区的雪豹食性相同, 野生大型有蹄类是雪豹最重要的食物。然而家畜(牦牛)在卧龙雪豹食谱中有相当高的占比, 显示该区域内可能存在较为严重的由雪豹捕食散养家畜引起的人兽冲突问题。     

基于DNA条形码分析大鸨繁殖期动物性食物

动物性食物是满足繁殖期大鸨(Otistarda)能量和营养需求的重要来源,然而由于传统食性分析手段的局限性,大鸨繁殖期的动物性食物组成目前还不清楚,不同繁殖地大鸨的食性差异还有待研究。高通量测序应用于食性分析,具有工作量小、数据量大和分类精度高的优点。基于粪便取样,利用高通量测序技术,对内蒙古图牧吉国家级自然保护区靠山核心区和马鞍山片区繁殖期大鸨的动物性食物种类和组成进行分析,并比较食物多样性的空间差异。物种累计曲线表明,研究中的最小采样强度(n=11)能够使MOTUs的检测限达到平台期。在24份大鸨粪便中,共发现29种不同动物性食物的DNA序列,均来源于无脊椎动物,以节肢动物门的鞘翅目占比最高(44.83%)。按照科水平分类,以金龟科占比最高(24.14%),其次为蝗科(13.79%)、芫菁科(10.34%)和蓟马科(6.89%)。马鞍山片区大鸨对食物的取食频率和粪便中被检测到其所取食食物种数均显著高于靠山核心区,食物多样性也显著高于后者,大鸨食性表现出一定空间差异。本研究为深入研究大鸨食性与栖息地选择的关系,以及了解大鸨繁殖期的觅食对策奠定了基础,为保护部门有效保护和恢复大鸨栖息地提供了食性水平的参考依据,同时为分子食性分析方法用于其他动物的觅食生态学研究提供了示范。     

高通量测序及其在食物网解析中的应用进展

高通量测序是DNA测序技术发展中的重大突破,它的出现为现代生物科学研究提供了前所未有的机遇,例如基于猎物和寄主植物DNA分子解析生态系统的食物网研究已逐渐成为捕食性动物与植食性动物食物网研究的新型模式。在简要总结Roche 454、Illumina和Ion Torrent为代表的第二代测序技术的原理及最新进展的基础上,综述了近年来利用高通量测序技术在捕食性和植食性动物食物网解析构建研究方面取得的最新进展及存在的问题,以期为探索捕食性和植食性动物的猎物/寄主范围、猎物/寄主转换、资源分配、生物防治、生物保护和生态恢复新方法提供思路和启发。     

高通量测序技术在肉类掺假检测中的应用进展

肉类掺假现象普遍存在,导致严重的公共卫生风险和侵犯宗教信仰行为.快速、有效、准确和可靠的检测技术是有效监管肉类掺假的关键手段.近年来,基于高通量测序的DNA宏条形码技术发展迅速,具有高通量、高精度和速度快等特点,并且可以实现复杂样品中多个物种的同时检测,因而在肉类及其制品的掺假检测方面具有明显的优势.文中介绍了近20年...     

高通量测序技术在植物内生菌领域研究中的应用

植物内生菌是一类能够在植物体内度过部分生命周期而不会引起宿主病害的微生物,是种类和功能十分丰富的微生物资源。随着测序技术的进步,在微生物领域中关于植物内生菌的研究愈发深入。Sanger测序的定向验证性以及较低的测序成本使得该测序技术沿用至今,但其测序的通量较低,不适用于更深层次的内生菌基因组研究。本文简要概述了植物内生菌的研究历程,并综述了以高通量为技术特点的下一代测序(next-generation sequencing,NGS)和以单分子实时测序技术(single-molecule real-time,SMRT)为代表的第三代测序技术在植物内生菌研究领域的应用,总结了不同测序技术在实际研究中的优势和局限性,并探讨了如何根据研究需求选择合适的测序技术,希望为研究者进一步发掘植物内生菌的潜在价值提供参考。     

邛崃山系水鹿的冬季食性

水鹿(Rusa unicolor)为珍稀濒危动物, 属国家II级重点保护野生动物, 其食物匮乏季的食性研究对其保护至关重要。本文以四川邛崃山系鞍子河保护地的水鹿为研究对象, 采用高通量测序(high-throughput sequencing, HTS)技术对其冬季18份有效粪便样品中的摄食植物进行了分析。结果表明: (1)水鹿摄食植物有50科94属; (2)水鹿冬季偏好食物为悬钩子属(Rubus)、山茱萸属(Cornus)、青荚叶属(Helwingia)、马蓝属(Strobilanthes)、荚蒾属(Viburnum)、清风藤属(Sabia)、旌节花属(Stachyurus)、菝葜属(Smilax)、槭属(Acer)和绣球属(Hydrangea)植物, 且蔷薇科悬钩子属植物为最重要的食物来源; (3)水鹿在冬季摄食植物多样性高、食物生态位宽; (4)水鹿具有强的环境适应性和资源利用能力, 在冬季会通过摄食更多的植物类型和适当调整生态位而适应环境变化。本研究结论将有利于水鹿及其同域生活的偶蹄目动物的管理策略制定。