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。     

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。     

甘肃省鱼类资源现状及DNA条形码在鱼类物种鉴定中的应用

为了摸清甘肃省土著鱼类资源与分布现状, 探索DNA条形码在鱼类辅助物种鉴定中的适用性, 2012年6-9月对甘肃境内黄河水系、嘉陵江水系和河西内陆河水系进行了较全面的鱼类调查。共采集鱼类标本3,087尾, 隶属于5目10科38属64种, 以鲤科种类最多, 为30种, 占总种数的46.88%。物种多样性分析表明, 在黄河水系的夏河和庄浪河多样性指数是所有调查点中最低的, 分别为1.38和1.09。嘉陵江水系各河段的多样性指数较高(H = 2.15-3.27), 其次为河西内陆河水系(H = 2.01-2.83)。在河西内陆河水系中, 疏勒河的均匀度指数最高, 为1.10, 黑河最低(0.68)。庄浪河的优势度指数最高, 为0.34, 而嘉陵江干流两当段的优势度指数在所有调查点中最低, 为0.04。利用DNA条形码分析了49种662尾标本的COI基因部分序列, 大部分种类在neighbor-joining系统树中形成各自的单系, 种内平均遗传距离0.88%, 种间平均遗传距离为9.99%, 在种内和种间COI序列遗传距离之间形成明显的条形码间隙, 斯氏高原鳅(Triplophysa stoliczkae)与达里湖高原鳅(T. dalaica), 甘肃高原鳅(T. robusta)与似鲇高原鳅(T. siluroides), 嘉陵裸裂尻鱼(Schizopygopsis kialingensis)与黄河裸裂尻鱼(S. pylzovi)之间的遗传距离低于2%, 甘肃高原鳅与似鲇高原鳅不能通过COI基因片段区分开, 其他两对物种可以采用核苷酸诊断法来进一步区分。斯氏高原鳅和拉氏鱼岁(Phoxinus lagowskii)种内遗传分歧较大, 揭示种内可能存在隐存种。结果表明, 对某些近缘种和不同地理种群差异较大的物种, 要将分子、形态和地理分布特点结合起来才能准确鉴定。     

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。     

Effects of sampling seasons and locations on fish environmental DNA metabarcoding in dam reservoirs

Environmental DNA (eDNA) analysis has seen rapid development in the last decade, as a novel biodiversity monitoring method. Previous studies have evaluated optimal strategies, at several experimental steps of eDNA metabarcoding, for the simultaneous detection of fish species. However, optimal sampling strategies, especially the season and the location of water sampling, have not been evaluated thoroughly. To identify optimal sampling seasons and locations, we performed sampling monthly or at two‐monthly intervals throughout the year in three dam reservoirs. Water samples were collected from 15 and nine locations in the Miharu and Okawa dam reservoirs in Fukushima Prefecture, respectively, and five locations in the Sugo dam reservoir in Hyogo Prefecture, Japan. One liter of water was filtered with glass‐fiber filters, and eDNA was extracted. By performing MiFish metabarcoding, we successfully detected a total of 21, 24, and 22 fish species in Miharu, Okawa, and Sugo reservoirs, respectively. From these results, the eDNA metabarcoding method had a similar level of performance compared to conventional long‐term data. Furthermore, it was found to be effective in evaluating entire fish communities. The number of species detected by eDNA survey peaked in May in Miharu and Okawa reservoirs, and in March and June in Sugo reservoir, which corresponds with the breeding seasons of many of fish species inhabiting the reservoirs. In addition, the number of detected species was significantly higher in shore, compared to offshore samples in the Miharu reservoir, and a similar tendency was found in the other two reservoirs. Based on these results, we can conclude that the efficiency of species detection by eDNA metabarcoding could be maximized by collecting water from shore locations during the breeding seasons of the inhabiting fish. These results will contribute in the determination of sampling seasons and locations for fish fauna survey via eDNA metabarcoding, in the future.     

基于环境DNA技术的赤水河秋季鱼类多样性分布特征

赤水河是长江上游少有的仍保持自然流态的大型一级支流,是长江鱼类重要的繁衍场和珍稀物种的保护地,摸清其鱼类多样性现状及鱼类群落结构特征对赤水河水生态恢复评估极为重要。于2021年9月对赤水河流域开展了鱼类多样性、分布及其特征调查,全流域共设置52个采样点,采用环境DNA技术采集并研究了赤水河鱼类的组成及其分布。结果显示通过环境DNA方法共调查到鱼类6目18科62属77种,包含16种长江特有鱼类。以鲤形目为主,占总数的87.87%。赤水河鱼类食性以杂食性和肉食性鱼类为主,群落结构上,处于下层水环境鱼类较多;赤水河鱼类优势种为宽鳍鱲(Y=0.205)、西昌华吸鳅(Y=0.085)、麦穗鱼(Y=0.068)、乌苏拟鲿(Y=0.033)、云南光唇鱼(Y=0.027);赤水河上游和下游鱼类群落(P<0.01)和Shannon-Wiener指数差异均显著(P<0.05)。海拔、流速、pH、电导率和温度是影响赤水河鱼类多样性的主要环境因素。为环境DNA技术在赤水河鱼类多样性调查中的应用提供了探索性研究,将有助于赤水河生物多样性的保护。     

基于环境DNA宏条形码技术的秦淮河生物多样性研究

秦淮河是南京的母亲河,其生物多样性受城市化进程影响面临严重威胁,而物种资源调研是生物多样性保护的基础。环境DNA宏条形码技术较形态学监测是一种简单高效、灵敏度高的新型监测技术。为探究秦淮河浮游生物、底栖动物及鱼类的生物多样性,于2019年7月,采用环境DNA宏条形码技术对其进行了探究,并分析了秦淮河上下游间的差异及环境因子对其群落结构的影响。结果表明:秦淮河共监测到浮游动物13属22种407个操作分类单元(Operational Taxonomic Units, OTUs),浮游植物85属60种4445个OTUs,底栖动物16属17种212个OTUs,鱼类53属44种1663个OTUs。其中浮游动物以游泳轮虫目(Ploima)和双甲目(Diplostraca)为主,共占浮游动物63.37%,浮游植物以隐藻门(Cryptomonas)和褐藻门(Ochrophyta)为主,共占浮游植物88.11%,底栖动物中节肢动物门(Arthropoda)占比最高,达91.67%,鱼类中鲤形目(Cypriniformes)占比最高,达69.99%。与秦淮河历史形态学监测数据相比,环境DNA宏条形码技术在...     

Comparative analysis of fish environmental DNA reveals higher sensitivity achieved through targeted sequence-based metabarcoding

Environmental DNA (eDNA)-based methods of species detection are enabling various applications in ecology and conservation including large-scale biomonitoring efforts. qPCR is widely used as the standard approach for species-specific detection, often targeting a fish species of interest from aquatic eDNA. However, DNA metabarcoding has the potential to displace qPCR in certain eDNA applications. In this study, we compare the sensitivity of the latest Illumina NovaSeq 6000 NGS platform to qPCR TaqMan assays by measuring limits of detection and by analysing eDNA from water samples collected from Churchill River and Lake Melville, NL, Canada. Species-specific, targeted next generation sequencing (NGS) assays had significantly higher sensitivity than qPCR, with limits of detection 14- to 29-fold lower. For example, when analysing eDNA, qPCR detected Gadus ogac (Greenland cod) in 21% of samples, but targeted NGS detected this species in 29% of samples. General NGS assays were as sensitive as qPCR, while simultaneously detecting 15 fish species from eDNA samples. With over 34,000 fish species on the planet, parallel and sensitive methods such as NGS will be required to support effective biomonitoring at both regional and global scales.