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。     

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。     

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技术在地下生态学中的应用

地下生态过程是生态系统结构、功能和过程研究中最不确定的因素。由于技术和方法的限制,作为"黑箱"的地下生态系统已经成为限制生态学发展的瓶颈,也是未来生态学发展的主要方向。环境DNA技术,是指从土壤等环境样品中直接提取DNA片段,然后通过DNA测序技术来定性或定量化目标生物,以确定目标生物在生态系统中的分布及功能特征。环境DNA技术已成功用于地下生态过程的研究。目前,环境DNA技术在土壤微生物多样性及其功能方面的研究相对成熟,克服了土壤微生物研究中不能培养的问题,可以有效地分析土壤微生物的群落组成、多样性及空间分布,尤其是宏基因组学技术的发展,使得微生物生态功能方面的研究成为可能;而且,环境DNA技术已经在土壤动物生态学的研究中得到了初步应用,可快速分析土壤动物的多样性及其分布特征,更有效地鉴定出未知的或稀少的物种,鉴定土壤动物类群的幅度较宽;部分研究者通过提取分析土壤中DNA片段信息对生态系统植物多样性及植物分类进行了研究,其结果比传统的植物分类及物种多样性测定更精确,改变了以往对植物群落物种多样性模式的理解。同时,环境DNA技术克服传统根系研究方法中需要洗根、分根、只能测定单物种根系的局限,降低根系研究中细根区分的误差,并探索性地用于细根生物量的研究。主要综述了基于环境DNA技术的分子生物学方法在土壤微生物多样性及功能、土壤动物多样性、地下植物多样性及根系生态等地下生态过程研究中的应用进展。环境DNA技术对于以土壤微生物、土壤动物及地下植物根系为主体的地下生态学过程的研究具有革命性意义,并展现出良好的应用前景。可以预期,分子生物学技术与传统的生态学研究相结合将成为未来地下生态学研究的一个发展趋势。     

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在湖泊生物多样性研究中的应用

环境DNA(EnvironmentalDNA,eDNA)可用于监测湖泊生物多样性,该技术对湖泊生态环境破坏性小,对于开展湖泊生态保护具有重要意义.湖泊流速较为缓慢,相对于河流更容易富集DNA,更适合于应用eDNA方法开展生物多样性研究.文章对eDNA在湖泊生物多样性上的应用进行了回顾,综述了其实验设计,分析了该技术存在...     

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...     

DNA宏条形码技术在食草动物食性研究中的应用

随着测序技术的快速发展,整合DNA条形码和高通量测序的DNA宏条形码技术已经成为当前研究热点之一,在食草动物的食性鉴定中有很大潜力。放牧动物食性研究是动物营养学和草地生态学领域的重要研究内容。而与传统食性研究方法相比,宏条形码技术可通过对植物DNA条形码的高通量测序,获得样本中的物种组成进而分析动物食性。介绍了传统食性分析手段的局限,重点综述了DNA宏条形码技术的产生、操作原理以及在食草类动物食性鉴定领域中的应用,同时还简述了可能存在的挑战,并对该技术今后的发展方向进行了展望。     

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技术在鱼类资源研究中的应用

环境DNA(Environmental DNA,eDNA)是指从生物体生活环境中直接提取到的不同物种DNA片段的总和,eDNA在鱼类资源研究上越来越热,主要是在鱼类的特异性基因识别片段的基础上,与利用分子手段检测eDNA所获得的识别片段进行比对,进而确定水环境中鱼类是否存在的一种技术,是一种新型的生物资源调查手段。与传统方法相比,eDNA技术具高灵敏、低成本、无损伤等优点,能够快速的检测出入侵种、濒危种及稀有种等种类,但也存在一些不足之处,如不能获得目标物种存在或不存在的实时数据、不能获得物种各生长阶段等的生物学特征以及种群结构、不能将"纯种"与杂交种区分开来。eDNA技术对于鱼类资源研究具有颠覆性意义,并展现出良好的发展势头。主要综述了基于eDNA技术在鱼类物种多样性研究、资源量估算和种群分布等研究中的应用进展,以期为渔业资源研究提供一些思考。可以预期,eDNA技术与传统调查方法相结合将成为鱼类资源研究的一个发展趋势。     

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条形码在生态学研究中的应用与展望

DNA条形码是利用标准的DNA片段对物种进行快速鉴定的技术,已在生物学各相关领域得到广泛应用。随着DNA条形码技术的不断发展和完善,已成功应用于生态学领域的相关研究中。本文综述了DNA条形码在物种快速鉴定和隐存种发现、群落系统发育重建和生态取证、群落内物种间相互关系研究等方面的应用,并介绍了DNAmetabarcoding技术和环境DNA条形码在生物多样性和生态学研究领域中的应用。最后,结合新的测序技术和未来大科学装置的发展,在相关数据库逐渐完善,新分析方法和计算模型不断开发使用的情景下,对DNA条形码在生态学相关领域的应用前景进行了展望。     

慢性阻塞性肺疾病患者支气管肺泡灌洗液细菌宏基因组DNA的制备

【目的】优化稳定期慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases,COPD)患者支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluids,BALF)细菌宏基因组DNA的提取方法,以便于高效提取微量的细菌DNA进行后续的PCR反应和测序。【方法】取稳定期COPD患者的BALF 5mL,离心收集细胞。为了有效提取样品中革兰氏阳性菌的基因组,对QIAGEN的DNA提取试剂盒的操作步骤进行优化:加入裂解缓冲液ATL后首先运用研磨珠和多功能生物样品匀质器破碎菌壁,再加入蛋白酶K孵育,然后加入裂解缓冲液AL振荡混匀。无水乙醇沉淀DNA后,将全部溶液过柱,用洗液AW1和AW2各洗柱一次,最后加50μL洗脱液洗脱DNA。提取的DNA定量后,运用PCR方法检测样本中的细菌16S rDNA量,并按照测序要求构建DNA文库进一步验证。【结果】试剂盒优化法提取的BALF的DNA总量为467.5(135.0-1697.5)ng,明显高于按照传统酚-氯仿法提取的DNA总量95.0(0-612.5)ng,并且所提取的DNA可以很好的扩增细菌的16S rDNA以及构建DNA文库,改良后的扩增产物明显增多(P=0.002)。【结论】使用DNA提取试剂盒结合研磨珠和多功能生物样品匀质器破菌壁的方法能够更高效的提取BALF中微量的宏基因组DNA,为进一步的测序和菌群分析打下基础。     

基于微滴式数字PCR方法的鱼类环境DNA样本处理与保存技术优化

以实验室内的鲫(Carassius auratus)为研究对象,利用微滴式数字PCR(Droplet Digital PCR,ddPCR)定量技术,优化了鱼类环境DNA(Environmental DNA,eDNA)样本的捕获、提取和保存方法,并对免DNA提取的PCR直扩技术进行了探索.研究结果如下:(1)在同一孔径、...     

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。     

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。     

宏基因组学在胃肠道微生物研究中的应用

动物胃肠道中普遍存在大量共生微生物群,对于它们的研究一直受制于纯培养技术。随着分子生物学的快速发展及其在微生物学及生态学上的应用,针对未培养微生物研究的一门新型学科——宏基因组技术应运而生并迅速发展。通过提取胃肠道粘膜表面以及内容物中微生物DNA,构建总DNA文库的方法,利用基因组学的研究策略,来研究胃肠道中微生物遗传组成及群落功能。宏基因组技术在胃肠道微生物研究中广泛的应用,对于医学、生态学、生物能源利用等领域的研究具有重大的价值。     

DNA提取过程中混入的实验室空气微生物DNA定量

元基因组测序方法为微生物研究提供了有力的工具。但其中的DNA提取过程,会不可避免地混入实验室中的空气微生物。这些微生物DNA,是否会对一些极微量的元基因组检测 (如皮肤样本等) 结果造成影响,有多大影响,仍没有明确结论。本研究首先收集了实验室空气样品,用16S rRNA引物建立了基于qPCR的标准曲线,并检测了在开放环境下提取DNA过程中可掺杂的环境微生物DNA量。然后在开放环境下提取纯水DNA样品并进行元基因组分析,以确定掺杂环境微生物的种类。最后分别在生物安全柜和实验室开放环境下提取皮肤样本,并用鸟枪测序方法对样本的微生物组成进行分析,以评估掺杂环境微生物对元基因组检测结果的影响。结果显示,在实验室开放环境的DNA提取过程中,环境微生物的DNA残留可达28.9 pg,可达某些极微量样本DNA总量的30%。元基因组分析显示,样品中掺杂的环境微生物主要是痤疮杆菌Cutibacterium acnes、大肠杆菌Escherichia coli等皮肤常见细菌。与洁净皮肤样本的信息相比,开放环境下提取掺杂了数十种环境微生物,并导致主要菌种的丰度大幅降低,从而影响结果的真实性。因此,微量样品的DNA提取应在洁净环境下执行。     

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。     

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。