生态学研究的黑科技——“DNA GPS”.pdf

生态学研究的黑科技——“DNA GPS” 当你和小伙伴们相约去一个有山有水的公园踏青时，是否幻想过这样的画面: 有一部随身携带的机器，只要灌入 1L 小溪水，它就可以告诉你水里有什么鱼， 哪里可以看到成群的蝌蚪，哪里可以抓到青蛙；放入树林里的一把泥土，它就可 以告诉你，附近是否有危险又可爱的大灰熊？就好像携带了一部百科全书式的随 身 GPS，走到哪里都可以一窥大自然的奥秘。这就是目前生态学家们新兴研究的 方向。有中国研究者已经可以利用在森立里采集的粪便，定位我们的国宝大熊猫 在森林里的位置和数量了呢[1]。他们正在尝试一种可以进行快速且不伤害动物本 身的生物监测技术。 过去人们眼中的生态学家总是这样的：穿着土黄色的脏外套，在茂密的森林 里，要么趴在土地上观察一群蚂蚁搬树叶；要么在非洲的大草原上驾驶着老式 jeep 追着一群奔跑的斑马。然而这样的时代即将成为过去时啦，因为生态学研究 已经跨入了“DNA GPS” 时代. 那什么是“DNA GPS”呢？ 来说说“DNA GPS”的功能 简单说，这就是一项能够探测物种(濒危物种，入侵物种，难追踪物种等等 你想追踪的目标生物)，以及做生物多样性普查的新型监测技术。它的优越性在 于只需要采集一个生态环境中的土壤，树叶，河水，湖泊底泥，粪便，血液，蜘 蛛网等[2]容易获得又不会伤害到动物本身和破换环境的样本，就能通过这些样本 中含有的 DNA 信息，了解不同环境中动物的生存情况以及数量。这些样本就叫 做环境样本， “DNA GPS”的学名叫做环境 DNA 技术（environmental DNA） 举个例子(如图一)，越南安南山脉有着保护良好的原始丛林，是许多罕见哺 乳动物生活的天堂。生态学家 Thomas Gilbert 及其团队在越南采集到了 25 只蚂 蝗(Whitmania pigra Whitman)[3]；通过分析蚂蝗体内血液里的 DNA 信息，团队惊 喜的发现了一种自 1997 年“惊鸿一现”以后，人类再没第二次观察到的物种， 证明了安南山脉还存在有这种生物——长山麂 Truong Son munjtac（Muntiacus truongsonensis） 。长山麂至今缺乏详细的研究记录，其体色和体表纹理至今是个谜。 同样令人惊喜的是， 还发现了安南条纹兔 Annamite striped rabbit（Nesolagus timminsi） 的 DNA；这种曾在 1999 年被人发现，而后就销声匿迹的物种。Thomas Gilbert 说：“这表明这些动物并不像我们想的那样稀有，也有可能是蚂蝗非常擅长找到 这些动物的身影。”[4]。该批样本还鉴定得到了小齿鼬獾 small-toothed ferret-badger （Melogale moschata）和鬣羚 serow（Capricornis maritimus）的 DNA。鬣羚被世 界自然保护联盟（IUCN）的《受胁物种红色名录》（Red List of Threatened Species） 列为易危级（VU） 。该项研究不仅成功利用“DNA GPS”证明了在越南的丛林 里存在着一些人类极难发现的物种，更值得一提的是，利用蚂蝗得到这些动物的 大致活动区域之后，人们就可以采取有效的保护措施，将他们的栖息地保护起来。 如果没有蚂蝗的帮助，人们无法采取应有的保护措施，这些稀有动物极有可能抵 抗不住全球气候的变化和生态环境的破坏而走向灭亡。研究和发展基于蚂蝗的环 境 DNA 技术，给环境管理者和生态学家都带来了福音。 图一：采集自越南的蚂蝗样本鉴定出 4 个稀有物种 原理就在于：令人闻风丧胆的蚂蝗不仅会吸人血，只要是哺乳动物的血，它 就毫不抗拒，世界上有 700 多种蚂蝗，其中许多蚂蝗会吮吸哺乳动物的血。这点 启发了科学家们。于是研究者收集并提取蚂蝗的血液，经过分析血液中含有的 DNA 信息，就知道蚂蝗吸过什么动物的血了；最后结合采集蚂蝗时记录的 GPS 信息，还原到地图上，就得到了一张该地区的哺乳动物分布区域图。由于生活在 雨林中的某些动物总是神出鬼没，踪迹难寻，甚至是数量稀少，生物学家常常难 以通过陷阱或者望远镜，甚至相机等传统方法在雨林观察到他们的存在。但是这 些小家伙对蚂蝗可是没有一点点防备，于是平时我们痛恨的这些小型吸血鬼竟巧 妙的解决了科学家的难题。类似的寻找稀有物种研究在环境 DNA 技术诞生以前 是需要 3,4 年甚至更长时间才能完成的工作，如今只用短短几个月就能解决[5]。 那么问题又来了， “DNA GPS”是如何工作的呢。 来说说“DNA GPS”工作原理 如图二：首先，我们需要收集环境样本（篮线所示，可以是海水，河水； 土壤等）；其次逐一的提取样本中的 DNA 信息，进行 PCR 扩增，放大 DNA 信 号(绿线所示)；最后通过基因测序技术（黄线所示）和生物信息学分析（红线所 示）获得各个样本中包含的原始信息，也就是 DNA 反应的物种信息[6]。经过这 一套程序，不管是史前猛犸象，天上的雄鹰，还是地下的泥鳅都逃不过研究者的 法眼一一呈现出来。这给其他的生态学研究提供了极大的便利。相比之下，传统 的研究方法——根据形态特征鉴定一个物种，不仅需要有经验丰富的“老司机” 分类学家，还需要对样本进行细致的处理，费时费力不说，有时还会因为样本的 残缺无法准确鉴定，区别出两个极其相似的物种。就拿鉴定两个小到必须在显微 镜下才能看出区别的物种来说，要鉴定上千份这样的样本岂不是要看花了眼？何 不交给机器自己去看，再告诉我们结果呢？ 图二：“DNA GPS”工作流程示意图 话说回来， “DNA GPS”之所以能得到这么多生物信息，还有赖于强大的 DNA。所谓“雁过留痕” ，只要鸟忍不住“排便”，那它的粪便降落到土地上， 就会化为土壤的一部分；同样的，鱼在水里游，鱼体表的黏液就会扩散到水体中。 这些生物体之外的物质中残留有该生物的细胞，而细胞中含有 DNA。地球生物 从一个微小的细胞进化到今天拥有成千上万个细胞的个体，每一步都悄悄的留下 了它进化的痕迹（如图三）。细胞中的线粒体 DNA（Mitochondrial DNA） ，在生 命进化过程当中就充当着“记录者”的角色。每一个个体的线粒体 DNA 中都有 一段相当于“身份证号”的 DNA 序列。这个“身份证号”DNA 序列记录了该生 物在生物学分类“界门纲目科属种”中的信息。因此，生物学只要获得这段 DNA 序列，就能读取生物的身份信息，知道这是只鹿还是匹马。目前研究者找到并常 用的 DNA 鉴定序列有 12S rRNA, 16S rRNA，COI 等。 图三：“DNA GPS”工作原理示意图 研究者就是基于这样的原理发明了“DNA GPS”，但是这些都只是理论，纸 上谈兵而已，研究者真正厉害的杀手锏其实是——测序技术（sequencing technologies） 。有了这个利器，研究者才能驰骋沙场，开创“DNA GPS”的时代。 从环境样本到物种“身份证号”需要走过一条慢慢长路，而这段路全靠测序 技术及其生物信息学分析。通常，我们获得的环境样本是鱼龙混杂的，其中包括 了非常多不同物种 DNA，而非单一物种。比如一份土壤样本中除了有各种昆虫 的 DNA，还有各种细菌的 DNA，还可能有鸟的 DNA，熊的 DNA 等等，总之非 常多的信息就像一个线团一样绞在一起。将这团麻线解开的方法有两种： metagenomics（宏基因组）和 metabarcoding（宏条形码）。这两种方法都基于 DNA 测序技术。测序技术能够将混合在一起的 DNA 信息通过测序，精确区分每 一个 DNA 的基本组成（脱氧核苷酸） ，从而将不同的 DNA 片段分开。目前为止， 这项技术已经可以实现自动化分析。研究者只需要将环境样本简单的纯化，将多 余的会干扰机器运行的杂质去掉，加工成纯净的液体，剩下的事就交给测序仪这 个高级厨师吧。它会将样本定时烹煮一段时间，鲜美的 DNA 大餐就上桌啦。 “DNA GPS”大展身手 环境 DNA 技术发展到今天已经惊艳到了不少生态学家，越来越多的科学工 作者纷纷加入开发和使用这项技术的行列。一项调查统计了 1980 年到 2010 年间， 关键词为“分子” ， “基因”的论文中，同时有关键词“淡水生物学”的数量和占 比[7]。即在淡水生物学研究中可能使用了环境 DNA 技术的比例。结果显示，利 用环境 DNA 技术研究论文数量逐年增加，且占该领域研究的比例呈上升趋势（如 图四，圈线图表示比例，柱状图表示数量）。 图四: 淡水生物学研究论文数量统计图 利用环境 DNA 技术的研究不仅是数量上的增加， 有趣的研究也是层出不穷： 利用 1mL 蜂蜜鉴定出该蜂蜜出自哪种植物花蜜，以及来自哪种蜜蜂[8]；利用收 集到的猴子粪便鉴定出它吃过什么东西，肠子里面有什么微生物[9]；还有一项关 于海洋的研究，利用水体样本分析得到了海洋中不同动物分布的位置，结果优于 传统的渔业调查[10]。 虽然就近期的研究成果看，“DNA GPS”显示出了它很多的可能性，但是 目前的研究还没有使“DNA GPS”爆发出自己的小宇宙。这项技术被科学工作 者尝试了很多次，但投入实际的应用当中的比例有限。它完全可以帮助和环境管 理相关的政策制定者做出决策，和取代复杂繁琐的传统调查方法进行自然保护区 管理；这些还有待科学家和管理者合作，扩展这项技术的可能性，使生态保护工 作迎来新的春天。 不过随着环境 DNA 技术的几大瓶颈问题不断被瓦解（测序仪器的更新迭代 使测序成本不断降低；快速的收集方法可获得更多的 DNA 原始信息；更高效的 DNA 提取试剂去除抑制测序物质） ，我们不妨大开脑洞，畅想不久的将来，科幻 小说中才会出现的场景变成现实（如图五）：生态学家做野外调查只需要人手携 带一部 DNA GPS 动物定位系统，现场采集环境样本放入机器，然后机器处理 完样本，将采集信息发回 GPS 控制中心，十分钟后就会告知我们当地的动物分 布信息；并且，这样的设备还适合个人游玩出行使用，DNA GPS 设备还能识别 你想了解的物种，随手将路上所见拍下来上传，就知道此行都和什么动物小伙伴 相遇了呢。想要亲近大自然，再也不用重装出行啦。这就是新时代生态学研究的 黑科技！ 图五：DNA GPS 设备未来应用示意图 参考文献 1. Zhu L, Zhang S, Gu X, Wei F. Significant genetic boundaries and spatial dynamics of giant pandas occupying fragmented habitat across southwest China. Mol Ecol. 2011;20: 1122–1132. 2. Bohmann K, Evans A, Gilbert MTP, Carvalho GR, Creer S, Knapp M, et al. Environmental DNA for wildlife biology and biodiversity monitoring. Trends Ecol Evol. 2014;29: 358–367. 3. Schnell IB, Thomsen PF, Wilkinson N, Rasmussen M, Jensen LRD, Willerslev E, et al. Screening mammal biodiversity using DNA from leeches. Curr Biol. 2012;22: R262–3. 4. http://onlineorganizing.net/funny/1386.html 5. Schnell IB, Sollmann R, Calvignac-Spencer S, Siddall ME, Yu DW, Wilting A, et al. iDNA from terrestrial haematophagous leeches as a wildlife surveying and monitoring tool – prospects, pitfalls and avenues to be developed. Front Zool. Frontiers in Zoology; 2015;12: 24. 6. Thomsen PF, Willerslev E. Environmental DNA – An emerging tool in conservation for monitoring past and present biodiversity. Biol Conserv. Elsevier Ltd; 2015;183: 4–18. 7. Ba S, Pauls SU, Alp M, Kohout JAN. Integrating molecular tools into freshwater ecology : developments and opportunities. 2014; 1559–1576. 8. Schnell IB, Fraser M, Willerslev E, Gilbert MTP. Characterisation of insect and plant origins using DNA extracted from small volumes of bee honey. Arthropod Plant Interact. 2010;4: 107–116. 9. Srivathsan A. Frontiers in Zoology Fecal metagenomics for the simultaneous assessment of diet , parasites , and population genetics of an understudied primate. Front Zool. Frontiers in Zoology; 2016; 1–13. 10. Port JA, O’Donnell JL, Romero-Maraccini OC, Leary PR, Litvin SY, Nickols KJ, et al. Assessing vertebrate biodiversity in a kelp forest ecosystem using environmental DNA. Mol Ecol. 2015; 527–541.