当溪流成为“基因档案”，科学家如何利用环境DNA保护水生生物？

近年来，环境DNA（environmental DNA，简称eDNA）技术在生态学研究中迅速崛起，已经成为监测水体生物多样性的一种革命性方法。通过分析水样中的遗传物质，科学家能够高效、准确地检测出水体中鱼类、两栖动物、昆虫和微生物等生物的存在。然而，尽管eDNA技术的优势显著，研究人员对其在动态水体（如溪流和河流）中的行为仍缺乏深入了解。面对这些挑战，一个由美国宾夕法尼亚州立大学（Penn State）研究团队主导的研究项目应运而生，试图破解eDNA在溪流中的“命运之谜”。

eDNA技术的崛起与困境环境DNA技术允许研究人员无需直接捕捉生物个体，就能通过水样分析来判断特定生物的存在。这种非侵入性的方法使得生态监测更加快捷、有效，并显著减少了对生态系统的干扰。如今，eDNA技术已被广泛应用于多种环境监测和保护工作中。例如，它被用于检测美国五大湖区（Great Lakes）流域的入侵物种亚洲鲤鱼（Asian Carp），以及监测萨斯奎哈纳河流域（Susquehanna River Basin）中的美洲鳗鱼（American eel）和美国东部山区溪流中的大地蜥蜴（Hellbender）。

©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

不过，eDNA技术的广泛应用也暴露出其在动态水体中的局限性。科学家们对eDNA在自然环境中如何运动、降解、沉积和再悬浮知之甚少。这种知识的缺乏，使得对eDNA检测结果的解读存在着不确定性。例如，当在水样中检测到某种生物的eDNA时，究竟是当前该生物的存在，还是由于水流将eDNA从其他地方带来的？这些问题至今未能得到明确解答。

解码环境DNA在溪流中的命运
为解决这些困境，美国宾州州立大学（PSU）的水生生态学助理教授丹尼尔·艾伦（Daniel Allen）领导的研究团队获得了美国国家科学基金会（NSF）提供的195万美元资助，计划用五年的时间深入研究eDNA在溪流中的运动和降解机制。研究团队将与阿拉巴马大学和北德克萨斯大学的科学家合作，专注于研究影响eDNA命运的三大机制：降解、沉积和运输。

该研究将涵盖全美24条溪流，这些溪流都是国家生态观测网络（National Ecological Observatory Network, NEON）的一部分。NEON网络通过其陆地、水生、大气和遥感测量基础设施，向科学界提供标准化和校准后的开放数据。艾伦解释道，eDNA在下游流动过程中会经历降解、沉积和再悬浮等过程，这些过程统称为“eDNA螺旋化”（eDNA spiraling）。该研究团队计划在不同溪流中开展一系列实验，测试水体化学成分和微生物群落如何影响eDNA的命运。

咱们来想象一下，假设河流是一条“传送带”，那么，生物的DNA就是搭乘这条传送带的“小包裹”。这些小包裹在传送的过程中可能会被打开、丢失或者被其他东西包裹起来。这就是eDNA螺旋化的过程，它揭示了DNA在水体中的“命运”。eDNA螺旋是理解eDNA在水生态系统中行为的关键。通过研究“eDNA螺旋化”，就可以更准确地评估水体中的生物多样性，并为水生态保护提供科学依据。

探索新方法与创新应用
为了更好地理解eDNA在溪流中的行为，研究团队将使用一种不存在于这些溪流中的商业鱼类作为eDNA来源，向溪流中释放新型eDNA，并追踪其扩散和降解过程。研究将在美国阿拉巴马州的Mayfield Creek、德克萨斯州的Pringle Creek以及宾州州立大学附近的Shale Hills关键区观测站的Shaver’s Creek等地开展。通过这些实验，科学家们希望能够确定不同物种的eDNA是否在溪流中有不同的持久性，并探讨eDNA颗粒大小是否会影响其在水体中的运动模式。

填补知识空白，为环境保护提供新工具
以往，科学家们对环境DNA在静止水体（如湖泊和池塘）中的行为已经有比较多的研究，但在流动水体（如溪流和河流）中的研究相对较少。溪流和河流的动态环境条件复杂多变，这对eDNA的降解速度、沉积行为和再悬浮情况都有重要影响。要将eDNA技术发展成为一种可靠的水生生物监测工具，解决这些知识空白至关重要。

除了基础研究，该研究团队还将参与NSF资助的Emerge项目，旨在通过培训本科生、研究生和早期职业科学家来扩大淡水科学领域的参与度，特别关注来自弱势群体的科学家。研究团队计划在宾州州立大学、阿拉巴马大学和北德克萨斯大学这三所大学举办关于DNA生物信息学的工作坊，以帮助参与者掌握数据分析和可视化技术。

通过这些创新研究，科学家们希望能够深入了解环境DNA在溪流生态系统中的行为模式，为未来的环境管理和生物多样性保护工作提供更加科学的数据支持和理论依据。丹尼尔·艾伦（Daniel Allen）表示，正是这些前沿研究的机会吸引他来到宾州州立大学，并让他能够借助这里的基因组核心设施和微生物组研究中心等资源，开展深入的DNA分析技术研究。

细心的读者可能注意到，2024年6月初，美国发布了一份重要的文件《美国国家水环境DNA战略》（NATIONAL AQUATIC ENVIRONMENTAL DNA STRATEGY）。上面提到的这项研究，笔者认为，或许与《美国国家水环境DNA战略》具有很强的相关性。这项研究中开发的eDNA分析方法可以为其他地区和国家提供借鉴，推动eDNA技术的广泛应用。

海洋与湿地·小百科

eDNA螺旋化eDNA螺旋化（eDNA spiraling）是指环境DNA在流动水体中经历的复杂动态过程，涉及DNA的降解、沉积、再悬浮和传播。具体来说，eDNA在水中随着时间逐渐降解，也可能沉积在底部沉积物中，或因水流扰动而重新悬浮并进一步扩散。

换句话说，eDNA螺旋化是环境DNA在水生态系统中的一段“生命旅程”。在这个过程中，eDNA分子如同漂浮在水中的小船，经历着降解、沉积和再悬浮等一系列变化。水体的化学成分、如pH值、盐度和溶解氧含量，以及物理因素如水流速度、温度和湍流强度，都会显著影响eDNA的稳定性和迁移。此外，水体中的微生物群落也会通过分解eDNA或将其吸附到细胞表面等方式，影响eDNA的浓度和分布。理解eDNA螺旋化有助于提高eDNA技术在水生生物监测中的准确性和应用效果。

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编译 | 王芊佳
编辑 | Sara
排版 | 绿叶

参考资料略