研究人員對(duì)空氣進(jìn)行采樣以獲取環(huán)境DNA

近日，有研究表明，空氣中自由漂浮的DNA可用于追蹤野生動(dòng)物，包括瀕危或入侵物種，而無(wú)需直接觀察它們。

有趣的是，兩個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)同時(shí)對(duì)這項(xiàng)研究發(fā)起了挑戰(zhàn)，他們分別來(lái)自丹麥哥本哈根大學(xué)和英國(guó)倫敦瑪麗女王大學(xué)。

“我們決定賭一把，我們不愿意在這個(gè)項(xiàng)目上競(jìng)爭(zhēng)。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都非?？释吹竭@項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展?！眮?lái)自英國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)表示。因此，他們決定共同投稿。

2022年1月6日，相關(guān)研究以論文形式發(fā)表在Current Biology期刊，該論文以《從空氣中的DNA測(cè)量生物多樣性》為題，通訊作者為英國(guó)倫敦瑪麗女王大學(xué)的分子生態(tài)學(xué)家伊麗莎白·克萊爾。

相關(guān)論文

使用從空氣采樣中收集的DNA在動(dòng)物園的不同地點(diǎn)確定的物種

這項(xiàng)研究涉及到一個(gè)很重要的科學(xué)概念，即環(huán)境DNA。

據(jù)了解，環(huán)境DNA是“樣品環(huán)境里不同生物的基因組DNA的混合”，它涵蓋的范圍非常廣泛，無(wú)論是土壤、空氣、液體，甚至是排泄物，都可以從中找到可作為樣品的環(huán)境DNA。

換句話說(shuō)，動(dòng)物只要在某個(gè)地方生活，或者僅僅只是停留，必定會(huì)留下各種痕跡，而這些痕跡里通常都會(huì)攜帶該動(dòng)物脫落的DNA。

對(duì)于環(huán)境DNA的研究和運(yùn)用，最為人們津津樂(lè)道的是，2018年美國(guó)科學(xué)家通過(guò)檢測(cè)環(huán)境DNA確定了一頭斑鱉的存在，而此前全球已知的斑鱉只有三頭。

目前，環(huán)境DNA已經(jīng)成為科學(xué)家們獲取生物信息的重要途徑。某種程度上，其甚至改變了傳統(tǒng)動(dòng)物種群的監(jiān)測(cè)、管理和保護(hù)方式，因?yàn)檠芯咳藛T僅僅通過(guò)采集土壤或水樣就可以了解整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。

但是，科學(xué)家們一直有個(gè)疑惑，即空氣是否能提供與土壤、水同等水平的信息呢？

此前，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，英國(guó)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中從嚙齒動(dòng)物的洞穴中采樣空氣，從而檢測(cè)到了裸鼴鼠的DNA。此外，他們還檢測(cè)到了人類DNA，其可能來(lái)自在實(shí)驗(yàn)室工作的研究人員。

該項(xiàng)研究意味著從空氣中提取DNA以追蹤野生動(dòng)物或?qū)⒊蔀榭赡?。但是有反?duì)意見(jiàn)稱，在野外露天的復(fù)雜環(huán)境下，這種檢測(cè)方法將毫無(wú)作用，因?yàn)榭諝庵写嬖谔嗟牟淮_定因素。

“與人們?cè)诤恿骱秃粗邪l(fā)現(xiàn)的東西相比，監(jiān)測(cè)空氣中的DNA真的非常困難，因?yàn)榭諝庵械腄NA似乎被超級(jí)稀釋了?！笨巳R爾說(shuō)道。

為了進(jìn)一步測(cè)試這項(xiàng)技術(shù)，此次兩個(gè)獨(dú)立研究小組不約而同地使用了同一個(gè)包含明確主題的環(huán)境：分別位于英格蘭和丹麥的動(dòng)物園。

研究人員們使用了一個(gè)帶過(guò)濾器的風(fēng)扇，從動(dòng)物園內(nèi)部和周圍吸入空氣，并讓它持續(xù)運(yùn)行了一段時(shí)間。

“在空氣過(guò)濾后，我們從過(guò)濾器中提取DNA，并使用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增技術(shù)復(fù)制了大量動(dòng)物DNA。經(jīng)過(guò)DNA測(cè)序之后，我們處理了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的序列，并最終將它們與一個(gè)DNA參考數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，以確定動(dòng)物物種?！备绫竟髮W(xué)遺傳學(xué)家克里斯蒂娜·艾拉斯·林加德在接受媒體采訪時(shí)介紹道。

值得一提的是，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增技術(shù)與許多COVID-19測(cè)試中使用的技術(shù)相同。

最終，研究人員識(shí)別出了英國(guó)的25個(gè)物種和丹麥的49個(gè)物種。其中，英國(guó)的研究里，已確定的物種中有8種動(dòng)物并不是來(lái)自動(dòng)物園，而是來(lái)自周邊地區(qū)；同樣，在丹麥的研究中也發(fā)現(xiàn)了6種非動(dòng)物園動(dòng)物。

“我們?cè)谶@里展示的是，我們可以在有效的自然條件下檢測(cè)到各種各樣的動(dòng)物生命，”克萊爾在一封電子郵件里說(shuō)道，“我們發(fā)現(xiàn)了許多動(dòng)物園物種，但也發(fā)現(xiàn)了該地區(qū)的幾種原生物種，包括松鼠和刺猬。我們還發(fā)現(xiàn)了一些提供給動(dòng)物園動(dòng)物的食物。”

那么相比于早期的裸鼴鼠實(shí)驗(yàn)，該研究有何差異呢？

克萊爾指出，最大的不同之處在于團(tuán)隊(duì)離開(kāi)了實(shí)驗(yàn)室里精心控制的情況，并進(jìn)入了英國(guó)鄉(xiāng)村去嘗試接觸一切的不可控因素，而這正是一個(gè)完整的生態(tài)調(diào)查的一部分。比如，這項(xiàng)測(cè)試是在冬天進(jìn)行的，因此該團(tuán)隊(duì)便遭遇了雨、雪、風(fēng)等不同氣候下的溫度波動(dòng)。

幸運(yùn)的是，該項(xiàng)動(dòng)物園研究在不同的樣本、基因、地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)方法上都沒(méi)有失敗，所有的測(cè)試結(jié)果都被證實(shí)是非常有效的。

這也意味著該研究不僅突破了環(huán)境DNA可以做什么的界限，而且還展示了一種新穎的非侵入性工具來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)陸生動(dòng)物的方法，這對(duì)于動(dòng)物保護(hù)工作來(lái)說(shuō)非常重要。

“捕獲來(lái)自脊椎動(dòng)物在空氣中傳播的環(huán)境DNA，甚至有可能使我們探測(cè)到那些看不到的瀕危動(dòng)物?！备绫竟髮W(xué)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人克里斯汀·博曼說(shuō)道。

通常，一個(gè)物種越接近滅絕，就越難以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而空氣中的環(huán)境DNA將使保護(hù)工作更容易。比如，追蹤最后的小頭鼠海豚，或者解決關(guān)于象牙嘴啄木鳥命運(yùn)的爭(zhēng)論等問(wèn)題。

在克萊爾看來(lái)，也許環(huán)境DNA的最新創(chuàng)新會(huì)比人們想象的更早發(fā)生，就像水性DNA迅速成為一種廣泛使用的保護(hù)方法一樣。

除此之外，該方法還可用于評(píng)估生態(tài)環(huán)境，以及延伸到一些特殊的應(yīng)用，比如對(duì)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的空氣進(jìn)行分析，以捕捉嫌疑人遺留的DNA。