环境DNA技术在鱼类生态学中的应用研究进展

全球渔业衰退是21世纪人类面临的重要挑战之一。为了有效地遏制鱼类资源的衰退,精确的鱼类生态调查是其首要任务。传统的鱼类监测以渔获物采集与形态学鉴定为主,往往耗时耗力且效果不佳,已无法满足现阶段大尺度上的精确调查。环境DNA （eDNA）技术作为一种近年来新兴的鱼类生态调查方法,其与传统方法相比具有灵敏度高、经济高效、采样受限小且对生态系统无干扰的优势,目前其已被广泛地应用于鱼类物种监测、多样性调查、生物量评估以及繁殖活动监测等方面的研究。然而,eDNA技术在鱼类生态学研究的具体应用中暴露出的一些问题将会影响其监测结果的精确性,诸如操作流程的不规范、基因数据库的不完善以及eDNA在环境中生态学过程的不明确等。鉴于上述原因,首先对eDNA技术的发展历程、分析流程以及eDNA技术在鱼类生态学研究领域中的研究进展进行了综述,而后着重分析了eDNA技术的发展当前所面临的困难与挑战,并提出了相应的解决方案,最后对eDNA技术未来在鱼类生态学研究领域中的发展趋势做出了展望。通过本研究,以期能够为eDNA技术在鱼类生态学领域中的准确应用提供理论基础。     

环境DNA及其在水生生态系统保护中的应用

环境DNA(environmental DNA,e DNA)是指可以从环境样品(如水、土壤、空气、冰芯等)中直接提取到的DNA片段总和。e DNA技术是在确定调查物种或种群的特异性基因识别片段的基础上,利用各种分子手段检测从环境介质中所提取e DNA包含识别片段的情况,进而确定取样环境中生物的分布状况,包括e DNA获取、e DNA分析和结果分析3个阶段,是近年来新出现的一种生物调查方法。与传统方法相比,e DNA技术具有灵敏度高、省时省力、对调查对象无损伤等优点,不要求调查者具有传统的生物识别及鉴定经验。目前e DNA技术已被应用于目标物种(如入侵物种、濒危物种及其他稀有物种)"有无"的检测、生物量的估测、水体生物多样性的调查等,在水生生态系统的保护中具有广泛的应用前景,但目前仅在少数发达国家展开应用,亟待进一步推广。目前研究者们所用的e DNA方法各不相同,有待对现有方法进行完善并建立技术标准;作为一种调查方法,其时间及空间精确度有待进一步评价;利用e DNA技术估测生物量的准确度还较低,建议首先提高对e DNA产生与降解动力学的认识,再进一步寻求提高其准确度的方法。     

环境DNA技术在长江口鱼类多样性分析中的应用

研究采用高通量测序技术对长江口水域环境DNA(Environmental DNA, eDNA)样品进行分析,并与传统渔业资源调查结果对比,阐述长江口鱼类群落在其生境内的多样性特征,探讨eDNA技术在长江口水域鱼类多样性研究中的应用前景。结果显示, eDNA技术共检测到10目21科41属45种鱼类,各站点鱼类丰富度之间无显著差异,而多样性之间存在显著差异性。底拖网法共捕获11目16科29属33种鱼类。有18种鱼类在两种方法中均检测到,占鱼类总数的30%。两种方法检测到的鱼类中均以鲈形目(Perciformes)最多,其次是鲤形目(Cypriniformes),两种方法的结果均表明刀鲚(Coilia nasus)和凤鲚(Coilia mystus)为优势物种。研究表明环境DNA技术在长江口水域渔业资源监测中具有可行性,在禁捕环境下可根据实际情况采用不同方法对渔业资源进行监测。     

基于环境DNA宏条形码的洱海鱼类多样性研究

研究使用环境DNA宏条形码(eDNA metabarcoding)检测洱海鱼类多样性, 探索适用于洱海鱼类多样性监测和保护的新方法。通过水样采集、过滤、eDNA提取、遗传标记扩增、测序与生物信息分析的环境DNA宏条形码标准化分析流程, 从洱海16个采样点中获得可检测的9个采样点数据, 共检测出17种鱼类, 其中土著种5种、外来种12种; 鲫(Carassius auratus)、鳙(Hypophthalmichthys nobilis)、麦穗鱼(Pseudorasbora parva)、泥鳅(Misgurnus anguillicaudatus)和食蚊鱼(Gambusia affinis)为优势种。研究结果表明虽然环境DNA宏条形码无法完全替代传统的鱼类监测方法, 但作为一种新兴的生物多样性监测手段, 其可用于快速检测洱海鱼类多样性及其空间分布。     

环境DNA技术在淡水底栖大型无脊椎动物多样性监测中的应用

环境DNA (eDNA)是指生物有机体在环境中(例如土壤、沉积物或水体)遗留下的DNA片段。eDNA技术是指从环境中提取DNA片段进行测序以及数据分析来反映环境中的物种或群落信息。与传统方法相比, eDNA技术具有高灵敏度、省时省力、无损伤等优点。目前, eDNA技术已成为一种新的水生生物监测方法, 主要应用于水生生物的多样性研究、濒危和稀有动物的物种状态及外来入侵动物扩散动态的监测等。本文从eDNA技术在水生生物多样性监测应用领域的发展历程、eDNA技术的操作流程以及其在监测淡水底栖大型无脊椎动物方面的应用进展、技术优势和局限性五个方面进行了综述。最后, 本文对eDNA技术在淡水底栖大型无脊椎动物多样性监测应用的发展趋势和前景作出展望。     

AeDNA: 水生生物eDNA数据库

环境 DNA (eDNA) 技术是一种生态和生物多样性监测和评价的新手段, 完整和准确的参考序列库是eDNA技术应用于水生生物多样性调查的基础。当前, 不同水生生物eDNA参考序列还存在诸多问题, 如不同类群使用的标记基因不同且资源较为分散, 部分参考序列分类不准确, 以及针对我国各类水体中水生生物eDNA参考序列不多等。针对上述问题, 研究构建了水生生物eDNA数据库(AeDNA, http://aedna.ihb.ac.cn/)。 AeDNA整合了DNA条形码和基因组两种类型参考序列。其中18S、28S、ITS、COΙ、12S、rbcL 等各类DNA条形码60余万条, 涉及2万余种鱼类、1万余种水生植物、1万余种底栖动物、1万余种浮游动物和1万余种浮游植物; 基因组包含线粒体、叶绿体等细胞器基因组6199个及万种鱼类基因组计划和万种原生生物基因组计划所产生的物种基因组。涉及的生境有江、河、湖、海、冰川和温泉等各类水环境, 尤其数据库构建团队贡献的6万余条参考序列, 具有我国丰富的各类水体生境信息。总体来说, AeDNA是一个数据量大、类群覆盖全、准确性高且具有我国水生生物特色的综合性eDNA参考序列库, 是水生态和水生生物多样性监测的重要基础资源。     

环境DNA在两栖动物监测中的应用研究进展

两栖动物是我国受威胁程度最高的动物类群,加强两栖动物资源调查和多样性监测,是开展两栖动物保护和濒危物种拯救行动的关键性基础工作。传统的两栖动物监测主要以形态学和声学为基础,耗时费力,且难以发现一些隐蔽性较强的稀有物种。基于环境DNA(environmental DNA, eDNA)的调查方法以其快速、灵敏、高效、无创等独特优势,为两栖动物多样性监测及保护提供了新的工具。综述了eDNA在两栖动物多样性监测、外来入侵和珍稀濒危物种调查、物种丰度或生物量估测等研究领域的应用进展,分析了两栖动物eDNA产生、扩散、迁移和降解的动态变化特征及其关键影响因子,探讨了eDNA应用于两栖动物监测研究的局限性并提出了优化建议,同时对未来的研究方向进行了展望,以充分挖掘eDNA在两栖动物监测中的应用潜力,为两栖动物多样性保护和管理提供新的思路。     

环境DNA技术在宜昌江段四大家鱼自然繁殖中的应用

本研究通过环境DNA(eDNA)技术的样品采集及DNA提取方法,采用微滴式数字PCR(ddPCR)技术检测了长江干流宜昌江段不同水层、不同断面四大家鱼的eDNA浓度,分析了eDNA浓度变化与卵苗密度的关系,探讨了利用eDNA技术监测四大家鱼自然繁殖情况的可行性。结果表明: 与传统调查结果相比,四大家鱼的eDNA浓度与卵苗密度呈极显著相关,浓度最大值与卵苗峰值的出现时间较为一致,利用eDNA技术可以预判家鱼集群产卵行为的发生。连续两年的断面eDNA浓度检测认为,渔洋溪上游4.5 km和下游1 km为家鱼产卵场。该范围位于传统方法预估的胭脂坝下至红花套的产卵场范围内。这说明eDNA技术作为一种新兴的生态调查方法,可更为准确地判定有一定种群规模的鱼种的分布情况,因此具有很好的应用前景。     

环境DNA技术在贻贝入侵监测中的应用挑战

沼蛤(Limnoperna fortunei)和斑马贻贝(Dreissena polymorpha)是淡水系统中常见的入侵贻贝物种,对其种群规模的持续监测是入侵贻贝防治管控中的关键环节。随着分子生物学技术的发展,入侵物种监测中逐渐尝试利用环境DNA(eDNA)技术实现快速、灵敏检测。然而,在入侵物种引入-定植-扩散过程的监测中,eDNA技术的灵敏度及定量效果受到诸多因素的影响,给实际应用带来挑战。系统梳理了国内外学者利用eDNA技术监测沼蛤、斑马贻贝等入侵物种的研究进展;分析了eDNA技术的采样方案、引物设计、定量分析、质量保证、原位便携仪器设计等影响监测效率与准确率的关键环节;进一步探讨了eDNA技术在贻贝入侵监测中的优势和局限性,以及未来的改进方向。     

香港瘰螈eDNA引物和TaqMan探针的设计与确认

环境DNA（eDNA）技术是近年来新兴的一种野外水生生物调查方法。本研究旨在设计一组香港瘰螈（Paramesotriton hongkongensis）特异的引物和TaqMan探针并确立此eDNA方法在水样中的实用性,以期进一步调查其野外种群分布。测定11种瘰螈物种的线粒体细胞色素b（Cyt b）基因序列,然后使用Primer Express 3.0软件设计引物和TaqMan探针。通过比对NCBI基因库及进行退火温度梯度测试,验证引物和TaqMan探针的特异性。通过测试不同浓度的引物和TaqMan探针,优化qPCR扩增效率。然后检测养殖不同数量香港瘰螈的水缸水体中eDNA,以评估已建立的qPCR方法灵敏度。同时,测定香港瘰螈eDNA降解速度,以估计其在水中的持续时间。实验结果显示,本研究所设计的引物和探针只对香港瘰螈呈阳性扩增,而对同属的其他10个物种均呈阴性。优化的qPCR效率为93.9%、最低检测浓度为10 DNA拷贝数。已建立的qPCR方法能灵敏地检测出在养殖1只香港瘰螈24 h实验水缸水体的DNA拷贝数为（13.56 ± 3.35）/ml水样。另外,降解实验发现,采用0.45 μm孔径滤膜已有效检测香港瘰螈eDNA并能监测15 d。本研究成功设计并建立了一种能在水环境中检测香港瘰螈是否存在的eDNA技术,以期应用于野外考察。     

以川陕哲罗鲑为目标物种的水样环境DNA分析流程的优化

水样环境DNA分析包括水样采集、DNA提取和分析等流程,已成为监测濒危水生生物种群分布调查的重要手段.为减少在监测目标物种尤其濒危物种中的不确定性,对水环境DNA分析流程的优化至关重要.本研究以川陕哲罗鲑为目标物种,采用滤膜法采集养殖池中的水样,设计了 250 mL、500 mL、1 L和2 L等4种水样采集量,分别采用 PoweWater DNA Isolation kit和DNeasy Tissue and Blood DNA extraction kit 提取水样环境DNA(eDNA),使用物种mtDNA D_loop区特异性引物进行PCR扩增,通过研究滤膜法、水样采集量和水样DNA提取方法对水样eDNA中目标基因检出率的影响,探索适宜的eDNA分析操作方案.结果表明: 使用DNeasy Tissue and Blood DNA extraction kit提取的水样DNA中目的基因的检出率为100%,效果明显优于PoweWater DNA Isolation kit(目标基因的检出率为0);目标基因扩增条带的亮度随水样采样量的增加而增加,其中2 L水样目标基因的扩增效果较理想;序列比对结果显示,本试验从水样DNA中成功扩增得到了川陕哲罗鲑mtDNA Dloop区部分序列.表明DNA提取方法和水样采集量对目标物种的检出率有显著的影响,滤膜法、2 L水样采集量、DNeasy Tissue and Blood DNA extraction kit更适宜进行水样的DNA分析,mtDNA D-loop区可作为川陕哲罗鲑识别的特异性分子标记.     

基于环境DNA宏条形码技术的辽东湾典型围海养殖池塘内水母多样性研究

研究使用环境DNA宏条形码技术(eDNA metabarcoding)检测辽东湾东北部河口区围海养殖池塘水母种类多样性,探索适用于水母种类物种鉴定和监测的新方法。利用环境DNA宏条形码技术,分别基于18S rDNA和COI宏条形码检测了辽东湾东北部河口区围海养殖池塘水母种类多样性,通过水样采集、过滤、eDNA提取、遗传标记扩增、测序与生物信息分析的环境DNA宏条形码标准化分析流程,从围海养殖池塘7个采样点中获得可检测的采样点数据。结果显示,基于18S rDNA宏条形码检测出8种水母种类,其中钵水母纲大型水母2种、水螅水母总纲小型水母6种;基于COI宏条形码技术共检测出19种水母种类,其中钵水母纲大型水母5种、水螅水母总纲小型水母14种;两种DNA条形码标记都显示养殖种类海蜇(Rhopilema esculentum)为优势种。研究结果表明,环境DNA宏条形码技术作为一种新兴的生物多样性监测手段可用于快速检测水母种类多样性,在水母类物种鉴定、监测及早期预警中有较大的应用潜能。     

基于环境DNA宏条码和底拖网的珠江河口鱼类多样性

文章采用环境DNA宏条码和底拖网对珠江河口鱼类多样性进行了研究, 并对两种方法进行了比较。利用环境DNA宏条码检测到了175种鱼类, 而利用底拖网采集到了47种鱼类, 结合两种方法共检测出179种鱼类, 隶属于15 目63科128属。其中两种方法共同识别了鱼类43种, 占总检测物种的24.02%, 基于底拖网的调查未能收集到基于环境DNA宏条码检测到的大多数物种。根据Shannon指数和Simpson指数显示, DNA宏条码所检测珠江河口鱼类群落α多样性显著高于底拖网方法(P<0.05)。两种方法的PCoA结果均显示珠江河口鱼类群落存在空间结构, 基于环境DNA宏条码的分析显示空间重叠更多。两种方法基于冗余分析均显示溶解氧和盐度是影响鱼类群落结构的主要环境因子。研究表明, 环境DNA 宏条形码是一种环保且可靠的评估方法, 将其搭载到现有调查可以更好地了解河口鱼类多样性。     

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...     

粪便微卫星DNA在种群大小评估中的应用及若干问题的探讨

对于易受伤害或濒危物种的有效管理需要准确评估种群大小.传统的调查方法是直接计数和无线电跟踪,这些方法对于偏僻地区的珍稀动物来说是困难和低效率的.非损伤性DNA技术作为一种个体识别的工具打开了种群调查的新方法.本文以粪便微卫星技术为例,概述了其在种群大小评估中的应用,并且就如何获得准确种群大小的各个实验相关步骤加以讨论.     

基于环境DNA宏条形码技术的北京地区鱼类多样性调查和外来鱼种入侵风险评估

【目的】调查北京地区鱼类多样性和群落分布及评估外来鱼种的入侵风险。【方法】选取北京地区水库、湖泊和河流3种水体类型共33个采样点,于2020年6月10—17日开展水生态监测,利用环境DNA宏条形码技术对各样点的鱼类多样性和群落结构进行监测和分析,对目前北京地区水生态系统中本地鱼种和外来鱼种进行分类汇总,并评估典型外来入侵鱼种的入侵风险。【结果】本次调查共检测到52种淡水鱼类,隶属于7目22科43属。首先,物种多样性和群落结构(主坐标PCOA分析和相似性ANOSIM分析)结果表明,水库、湖泊和河流3种水体类型的所有鱼类物种多样性和群落结构没有显著差异,不同水体类型中鱼类物种存在同质化现象。优势度分析结果显示,3种水体类型的优势种绝大部分是交叠的,不同水体类型特有的优势种较少。山区自然水体样点的鱼类物种多样性和生物量高于城区各样点,表明人类活动和城市化进程等可能对北京市河流鱼类多样性和群落空间分布产生影响。其次,通过与历史记载比较,北京地区的本地鱼类多样性呈下降趋势。本次检测到39种北京地区的本地原生鱼种,远远低于历史记载(83种)。此外,本次调查发现北京地区外来鱼种的比例大大增加,共检测到13种外来鱼种。其中,尼罗罗非鱼、大口黑鲈、蟾胡鲶、加蓬胡鲶、饰妆铠弓鱼和坦噶尼喀口孵非鲫6种属于外来入侵鱼种。最后,借助FISK V2指标体系对外来入侵鱼类入侵风险进行评估,结果表明,上述6种外来入侵鱼种在北京地区均具有高入侵风险,可对当地物种多样性产生严重影响,需密切关注其种群动态。【结论】本研究利用环境DNA宏条形码技术对北京地区的鱼类多样性开展调查,有助于了解现阶段北京地区鱼类资源的本底数据,同时为原生鱼类的保护和外来入侵鱼类的监管提供科学指导。     

环境DNA metabarcoding及其在生态学研究中的应用

环境DNA metabarcoding(eDNA metabarcoding)是指利用环境样本(如土壤、水、粪便等)中分离的DNA进行高通量的多个物种(或高级分类单元)鉴定的方法。近年来,该方法引起了学者的广泛关注,逐渐应用于生物多样性研究、水生生物监测、珍稀濒危物种和外来入侵物种检测等生态学领域。介绍环境DNA metabarcoding的含义和研究方法;重点介绍环境DNA metabarcoding在物种监测、生物多样性研究和食性分析等生态学领域中的应用;总结环境DNA metabarcoding应用于生态学研究领域面临的挑战并对该方法的发展进行展望。     

基于线粒体CO 1基因序列的DNA条形码在鲤科鲌属鱼类物种鉴定中的应用

本研究探讨了线粒体CO1基因作为DNA条形码对鲌属鱼类进行物种鉴定的可行性。研究中获得了鲌属4种鱼类共32个个体长度为816bp的CO1基因序列。利用MEGA软件计算鲌属鱼类种间及种内遗传距离,利用邻接法、最大简约法、最大似然法和Bayesian方法分别构建分子系统树。结果显示,鲌属鱼类的种间遗传距离显著大于种内遗传距离。在系统树中,鲌属鱼类每一物种的个体分别形成各自独立的分支。基于CO1基因的DNA条形码在识别鲌属鱼类物种方面和传统形态学基本一致,而且该基因可以探讨鲌属鱼类种间的系统发育关系。本研究表明以CO1基因作为鲌属鱼类DNA条形码进行物种鉴定具有一定的可行性。     

环境DNA研究技术及其在生态学领域的应用

环境DNA(environmental DNA,eDNA)是指从环境样本中提取的所有DNA的集合,包括环境微生物以及从生物体上脱落下来的活细胞DNA和因生物死亡后细胞破碎而游离出的胞外DNA。按照宏基因组学概念,eDNA研究技术主要是指直接从环境样本中提取基因组DNA后进行测序分析的方法。较传统的研究方法,eDNA应用最大的优势在于更有效地解决了特定环境样本中宏量生物的分类问题,利于更进一步研究生态学问题,该技术耗时短、成本低,准确度高。第二代高通量测序技术的开发成功,进一步拓展了eDNA的应用范围,并开始从微生物学向动、植物学领域拓展,促进了传统生态学领域在研究方法和思想上的一场革新。对eDNA的研究技术在生物多样性分析、动物食性分析、生物量估测等生态学领域的应用进行了综述,最后对eDNA研究技术的发展趋势和前景作出展望。     

鱼类线粒体DNA研究新进展

线粒体DNA是分子生物学研究中的一个热门领域,已成为鱼类进化生物学和群体遗传学研究的重要分子遗传标记。本文对鱼类线粒体DNA分子生物学的最新研究进展进行了较详细的阐述。重点介绍鱼类线粒体DNA全序列的研究进展、组成及特征,鱼类线粒体DNA非编码区结构研究进展,鱼类线粒体DNA多态性及其主要的检测方法;综述了最近有关鱼类线粒体DNA在鱼类系统学、种间杂交渐渗、种群识别、起源和进化、地理分化等研究中的应用情况。