解读基于NGS技术的新应用领域“环境DNA（eDNA）”检测广阔的夜空有几颗星，浩淼的海域有几条鱼，是科学界一直努力解答的问题。 来自澳大利亚珀斯科廷大学的分子生物学家Micheal Bunce教授一直致力于解决第二个问题。 澳大利亚珊瑚湾以海洋生态多样、尤以珊瑚品种丰富闻名。2017年，Micheal Bunce教授和他的同事来到海边，和众多观光者不同，此次出行，他们的船周挂着装满海水的样本瓶。Bunce教授满怀期待的站在船边，每航行一段距离，他就小心翼翼拉起承载无数遗传信息的收集瓶。他清晰的知道，这小小的瓶子里，承载的很可能是传统方法无法解密的生态系统密码。回到实验室后，他们对含有遗传信息 “面包屑”的海水进行了深入分析。 成果很是惊人，仅仅利用收集的9公升海水，短短几个月，他们便绘制了珊瑚湾的整个生态系统图谱，并对生物一一进行了详细的分类。这些图谱包括这片海域的动物、植物、真菌、假菌和原生动物信息，是目前此片海域生态系统最全面貌的展示。Bunce教授此次采用的是高通量测序（NGS）研究环境DNA（environmental DNA, eDNA）技术。显然，这是目前传统调查方法完全无法比拟的。就最常见的拖网方法而言，且不论操作的笨重，在同一海域也就仅能捕获到20余种不同的鱼类。而通过对eDNA的分析，仅仅通过采集海水，除了可以检测到常见于餐桌的金枪鱼、石斑鱼类，以及水下视觉测量可见的沙丁鱼外，目前尚无其他技术可以充分取样的隐底栖鱼类，以及热衷于夜间活动的鱼类在eDNA技术下也一览无余。 Bunce教授对此次获得的成果却并不惊讶。自2003年，和同事从史前西伯利亚**冻土核心和新西兰洞穴沉积物中成功提取出DNA并测序以来，他就坚信环境DNA可以提供给我们更多跨越时间和空间的物种信息，可以带领我们快速高效地了解一个生态系统的全貌。 检所未见——eDNA助力特定物种的发现 eDNA技术在水生生态系统的意义不可低估。在水生环境中，由于部分生物行为难以捉摸、呈低密度分布，传统方法捕获的概率极低，而eDNA技术可以提供关于物种存在和分布的更多线索。
来源：Illumina 海马是海洋中最难以捉摸的鱼类之一，它们行动缓慢，性甚懒惰，却能有效捕捉到行动迅速、善于躲藏的生物。他们伪装得太好，很难用不具有破坏性的方法去研究。这一次，Bunce教授团队分别奔赴南非和澳大利亚海域，希望通过收集海水追踪海马行踪。他们小心翼翼的将采集到的海水带回实验室，浓缩其中的有机组分并提取出DNA，构建文库，测序读取序列后，与数据库中的海马DNA序列进行比对。他们惊喜的发现，这“一瓢水“，轻松捕获到了海马的痕迹。 跨越时间和空间，eDNA同样在施展独特魅力。 领航鲸在波罗的海地区踪迹一直难以寻觅。2012 年，奥尔胡斯大学的Philip Francis Thomsen教授团队，通过eDNA技术，惊喜的从波罗的海发现了长肢领航鲸的行踪。 斑鳖被称为最孤独的生物之一。2018年4月，美国华盛顿州立大学Caren Goldberg教授通过eDNA技术为三只斑鳖找到伙伴，确认了全球第四只斑鳖就在越南。 透视历史——eDNA的前世今生 eDNA技术如此受关注，它到底是什么呢？ DNA作为遗传信息存在于生物的每个细胞中。当我们环境中生长活动时，个体独特的DNA会如同“面包屑“般随时掉落到四周，它的存在形式可能是血液、组织、粘液、细胞、鳞片，也可能是粪便、尿液，甚至可能是生物本身。这些释放到环境中的DNA，便是我们所说的环境DNA（eDNA）。 不同生物的DNA是独特的，都存在特定的保守序列，可以通过试验和生信分析对这些保守序列进行分析。目前，分析eDNA最常用的方法是包括定量聚合酶链式反应技术（qPCR）和基于高通量测序的宏条形码技术（metabarcoding）。它们可以高效快速获取物种信息。这些信息不止可以告诉研究者目标生态系统的生物多样性，也可以帮助我们研究难以发现的生物体。另外，在生态系统受到威胁时，也可以利用eDNA检测来分析哪些物种受到了影响。
来源：Illumina eDNA技术如此神奇，它到底是什么来头呢？ eDNA的概念由来已久。早在1987年，就有研究者在讨论沉降物DNA提取技术中，首次提出环境DNA的概念。1990年，eDNA技术首次在海洋微生物DNA研究中崭露头角。2003年，eDNA**次成功应用于大型生物的研究。直到2010年前后，逐渐有研究者将“环境DNA”技术引入到水生生物监测中，以期调查海洋中的生物多样性。之后，伴随着高通量测序技术的助推，eDNA研究成本越来越低，效率越来越高。eDNA技术在生态领域研究的应用也得到了越来越多的关注。 在困境中发展——eDNA成为主流技术的门槛 尽管eDNA测序的应用日益广泛，但它距离成为主流技术还有一定的门槛。 eDNA**的困难，在于DNA的获取像一场数字游戏。往往存在概率或者“运气”的成分，做到天时地利人和还需要更多的探索。 eDNA的存在受时间、空间因素影响非常大，如季节、水温、水流潮汐等均可以影响海洋生态系统eDNA的存在及含量，且eDNA的存在时间非常短。班戈大学的Simon Creer教授的研究发现，eDNA持久性只有2天，且在酸性环境会加速降解。 不同底物保存的eDNA信息可能会有差异。例如有些鱼常在浅水域活动，有些则喜欢在泥沼中穿梭。Bunce教授的研究发现，由于不同物种的生活习性不同，不同底物的获取可能使研究者低估生态系统的多样性。
来源：Illumina eDNA技术尚未完全成熟。Bunce教授直言：“eDNA方法可能看起来很简单，但事实上，要用好却很难“。 eDNA极易受到污染，要求实验室环境必须绝对洁净，以维持所得数据的保真度。这在绝大部分实验室是很难做到的。 低丰度物种在生态系统中起着重要的生态功能并**研究价值，但它们脱落的DNA信息却非常少。如何在复杂的eDNA中高效获得痕量DNA仍是挑战。Bunce教授提倡用硝酸纤维素膜过滤联合DNeasy增强提取效率。然而，这并不是完全通用的方法，优化样本富集及提取方法仍需更多探索。 eDNA的丰度与生物体数量的相关性还有待挖掘。由于生物体释放DNA的速率不同，环境中的生物体数量和脱落的DNA不具有直接关联，只能通过物种存在与否来测量相对丰度。目前，也有大量的研究者致力于从eDNA数据集中推导出更多关于“量”的信息。 另外，DNA数据库的全面性是关键因素。若DNA数据库没有全面、高质量的储备，即使突破了重重困难获取了eDNA信息，这些信息也只能是零散的字母，无法准确匹配和命名。这也是目前相关研究人员正全力完善的工作。 即使困难重重，eDNA在生态系统多样性调研中的重要性仍无法忽视。“由于eDNA技术具有无创、成本低、敏感性强的特点，我们建议尽早将此方法整合到生物多样性监测的标准程序中。“Micheal Bunce教授如是说。 参考资料： 1. Gert-Jan Jeunen .et al，Environmental DNA (eDNA) metabarcoding reveals strong discrimination among diverse marine habitats connected by water movement，Mol Ecol Resour，2019 ,doi: 10.1111/1755-0998.12982. 2. Gert-Jan Jeunen .et al，Species-level biodiversity assessment using marine environmental DNA metabarcoding requires protocol optimization and standardization ，Ecology and Evolution ,2019，doi: 10.1002/ece3.4843 . 3. Clare I.M. Adams. et al，Beyond Biodiversity: Can Environmental DNA (eDNA) Cut It as a Population Genetics Tool? ,Genes, 2019, doi:10.3390/genes10030192 . 4. Joseph D. DiBattista .et al，Digging for DNA at depth: rapid universal metabarcoding surveys (RUMS) as a tool to detect coral reef biodiversity across a depth gradient，Peer J ,2019, doi: 10.7717/peerj.6379 . 5. Michael Stat.et al，Ecosystem biomonitoring with eDNA: metabarcoding across the tree of life in a tropical marine environment, Sci Rep ,2017,doi:10.1038/s41598-017-12501-5 1 . 6. Ida Bærholm Schnell .et al，Debugging diversity - a pan-continental exploration of the potential of terrestrial blood-feeding leeches as a vertebrate monitoring tool , Mol Ecol Resour,2018,doi: 10.1111/1755-0998.12912 . 7. 越南发现斑鳖:eDNA技术确认全球第四只斑鳖的存在，https://news.china.com/discovery/13001650/20180417/32315878_all.html#page_28. eDNA测序为了解生物多样性变化提供了强大的工具，https://www.illumina.com.cn/science/customer-stories/icommunity-customer-interviews-case-studies/bunce-curtin-interview-edna-nextseq-miseq-iseq.html |
