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你知道嗎？無需長期監(jiān)測，只需從海中舀一杯水，從土壤中挖一抔土，從沉積物中分離一管淤泥等等，就能知道有哪些物種曾在附近出沒。這到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢？ eDNA技術(shù)的起源與發(fā)展 環(huán)境DNA(eDNA)是生物與環(huán)境互作遺留的DNA，可能來源有生物脫落的組織、分泌物、排泄物、血液和尸體等，分布在土壤、沉積物和自然水體等環(huán)境中，是生物完整和片段化DNA的混合物。環(huán)境樣品中通常含有動植物脫落的細(xì)胞或者是游離的DNA，生物排泄過程中脫落的皮膚，尿液和糞便等也可以是“環(huán)境DNA”的來源，并能提供一個(gè)環(huán)境系統(tǒng)中物種的存在記錄。 環(huán)境DNA技術(shù)：環(huán)境DNA的高通量生物監(jiān)測技術(shù)通過從環(huán)境介質(zhì)（水、土壤、沉積物等）中提取DNA，對基因組的特定DNA片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增和高通量測序，從而實(shí)現(xiàn)對生物群落的定性、定量分析。 eDNA技術(shù)的研究特點(diǎn) eDNA技術(shù)的研究特點(diǎn)1、eDNA可作為時(shí)間生態(tài)數(shù)據(jù)的來源 生態(tài)群落在時(shí)間和空間上發(fā)生變化，在百年到千年規(guī)模的長期動態(tài)記錄很少。時(shí)間數(shù)據(jù)是單向的（環(huán)境變化必須在其影響可見之前發(fā)生），它們提供了一些識別與環(huán)境變化和生態(tài)動態(tài)相關(guān)的因果關(guān)系的最佳方法。越來越多的研究認(rèn)為eDNA可能是一個(gè)主要的，但迄今未充分利用的時(shí)空生物多樣性數(shù)據(jù)的來源（下圖）。通過提供關(guān)于當(dāng)前（圖上）和過去（圖下）幾個(gè)世紀(jì)甚至幾千年之間生物多樣性模式的連續(xù)數(shù)據(jù)，eDNA可以告知關(guān)于（i）單一物種動態(tài)的假設(shè)檢驗(yàn)，例如殖民化或滅絕；（ii）群落動態(tài)，例如群落構(gòu)成和豐度變化；（iii）人類對生態(tài)系統(tǒng)的壓力，例如工業(yè)或農(nóng)業(yè)的影響。 圖1 eDNA應(yīng)用范圍2、時(shí)間生物多樣性數(shù)據(jù)的來源比較 目前生態(tài)學(xué)家多使用以下時(shí)間生物多樣性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來源，都存在一定的局限性。長期計(jì)劃的例子包括北大西洋（自1931年以來）的連續(xù)浮游生物記錄器調(diào)查和美國的圣誕鳥計(jì)數(shù)（自1900年以來）。這些數(shù)據(jù)是異質(zhì)的，在分類學(xué)上有很強(qiáng)的偏見。由于生物多樣性的許多候選驅(qū)動因素（如污染和棲息地變化）在十年時(shí)間尺度上是共線的，限制了我們識別生態(tài)變化原因的能力。（2）歷史文件和”遺產(chǎn)“數(shù)據(jù)收集幾個(gè)世紀(jì)以來的各種定量生物多樣性數(shù)據(jù)，提供了歷史生態(tài)群落的快照，可用于評估過去和現(xiàn)在之間的變化。但是，這些數(shù)據(jù)僅適用于有限數(shù)量的地點(diǎn)和時(shí)間，其價(jià)值受到歷史和當(dāng)代數(shù)據(jù)可比性的不確定性的影響。當(dāng)代生態(tài)學(xué)和古生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合起來，極大擴(kuò)展了時(shí)間生態(tài)學(xué)的時(shí)間跨度。然而，古生態(tài)數(shù)據(jù)受到保存完好和可識別的有機(jī)遺骸（如花粉、骨骼和貝殼）的可用性的嚴(yán)重限制。eDNA可以為更廣泛的物種和更廣泛的地理環(huán)境提供長期生物多樣性的連續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)。eDNA數(shù)據(jù)填補(bǔ)了古生態(tài)學(xué)和古生物學(xué)、現(xiàn)代研究的薈萃分析和長期實(shí)驗(yàn)之間的空白。它可用于測試需要長時(shí)間尺度和廣泛分類范圍的生態(tài)理論、假設(shè)和模型。這有助于更深入地了解作為關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)過程和服務(wù)基礎(chǔ)的生物多樣性動態(tài)。 圖2 eDNA應(yīng)用到大范圍尺度
（1）單個(gè)物種動力學(xué) eDNA可以提供關(guān)于物種出現(xiàn)的空間模式變化的新數(shù)據(jù)來源，甚至可能顯示隨時(shí)間變化的相對豐度，但研究過程中仍然存在很多挑戰(zhàn)。 類型 | 挑戰(zhàn) | 埋藏學(xué) | eDNA觀察依賴于保留底物。結(jié)合DNA的顆?？梢酝ㄟ^侵蝕進(jìn)行運(yùn)輸和再加工。 DNA的垂直運(yùn)動可能會混淆eDNA數(shù)據(jù)的解釋。 | eDNA的不完美采樣 | 物種可能存在于某個(gè)地點(diǎn)，但未被檢測到或者由于污染（假陽性）可能錯(cuò)誤地記錄物種。不完善的eDNA采樣，特別是假陽性問題，具有挑戰(zhàn)性，但它越來越多地通過物種占用模型來解決。 | 有機(jī)豐度/ 生物量 | eDNA檢測物種豐度尚處于起步階段，但它具有巨大的潛力。最嚴(yán)重的問題： 1.物種內(nèi)和物種內(nèi)標(biāo)記基因拷貝數(shù)的變化 2.DNA沉積和保存的時(shí)間變化 3.在PCR期間引物偏倚引起的OTU的差異檢測概率 | 細(xì)胞死或生 | DNA從最近死亡的細(xì)胞中不斷釋放，并有助于eDNA庫。有三種新興解決方案： a.DNA可以從細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)部分中提取 b.DNA隨著年齡的增長而降低 c.研究可能集中在需要氧氣或光的微生物上 |
（2）群落動態(tài) eDNA采樣通常提供有關(guān)多個(gè)分類群的同步信息，因此對于群落動態(tài)問題特別有價(jià)值。eDNA研究為歷史環(huán)境變化提供了證據(jù)，推動了群落構(gòu)成的變化。研究捕食者-獵物、共生關(guān)系以及對其他生物相互作用等，例如eDNA有望通過時(shí)間表征食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化。 （3）人類對生態(tài)系統(tǒng)的壓力 研究已經(jīng)證明了DNA長期存在的潛力，以研究人類群落環(huán)境、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等等。例如來自加拿大湖泊的時(shí)間序列沉積物eDNA被用來檢驗(yàn)關(guān)于藻類繁殖頻率增加的原因。 （4）生態(tài)學(xué)中的進(jìn)化動力學(xué) 生態(tài)時(shí)間尺度可能會發(fā)生演化，導(dǎo)致選擇力、進(jìn)化響應(yīng)和生態(tài)動力學(xué)之間的反饋循環(huán)。eDNA可以同時(shí)提供生態(tài)（發(fā)生、豐度、群落組成）和進(jìn)化（遺傳）信息。 （5）生態(tài)學(xué)中的進(jìn)化動力學(xué) 人類活動對地球影響的研究越來越多地強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)反饋。來自湖泊沉積物中eDNA的功能基因也被用于推斷生態(tài)系統(tǒng)功能的動態(tài)，例如參與氮和磷攝取系統(tǒng)的基因，抗生素和抗污染。 總結(jié)：eDNA作為空間和時(shí)間生物多樣性數(shù)據(jù)的來源越來越受到關(guān)注，可獲取環(huán)境樣本中DNA所屬物種的分類學(xué)信息和基因功能信息，進(jìn)而研究不同生態(tài)環(huán)境中物種的多樣性，追溯物種來源、發(fā)展以及變化。環(huán)境DNA檢測在環(huán)境生物多樣性調(diào)查和特定生物調(diào)查方面將發(fā)揮越來越大的作用。 Environmental DNA Time Series in Ecology. Trends in Ecology & Evolution, 2019.
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