應用新場景！eDNA解碼海洋生態(tài)廊道

中國古人通過長期觀察，發(fā)現(xiàn)了動物遷徙與自然規(guī)律的聯(lián)系。例如大雁的遷徙時間與二十四節(jié)氣高度吻合，古代文獻記載燕子出現(xiàn)標志春季開始，消失預示秋季來臨。這些觀察不僅是物候記錄，更反映了古人對生態(tài)規(guī)律的深刻認知。

現(xiàn)代研究揭示了動物遷徙的生態(tài)功能：洄游的鮭魚每年將海洋中的氮元素輸送至阿拉斯加森林，科學檢測發(fā)現(xiàn)當?shù)卦粕寄贻喼泻衼碜院Ｑ蟮奈镔|(zhì)。非洲角馬遷徙期間，日均排泄物達千噸，為草原提供大量養(yǎng)分，顯著影響植被生長周期。研究表明，座頭鯨不同種群在遷徙中發(fā)展出獨特的捕食策略，形成具有地域特征的行為模式。這些發(fā)現(xiàn)證實，動物遷徙是維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞的重要途徑。

海洋生態(tài)廊道
然而，人們對生物遷徙的記錄與研究往往集中于陸地及淡水生態(tài)系統(tǒng)，這些區(qū)域環(huán)繞著人類社會。而占據(jù)了地球表面超過七成的海洋生態(tài)系統(tǒng)，卻未能獲得相應的關注。事實上，海洋中的生物遷徙現(xiàn)象同樣頻繁且多樣。最常見的遷徙模式包括不同海洋生境之間的遷徙，如藍鯨在冬季從極地遷徙至熱帶海域進行繁殖，以及海洋與河流之間的遷徙，如太平洋鮭魚幼魚從河流游向海洋成長，成年后再返回出生地的河流產(chǎn)卵。

值得注意的是，這些遷徙模式高度依賴于不同生境間的生態(tài)連通性。生態(tài)廊道通過連接分散的海洋生態(tài)系統(tǒng)或生境，為海洋生物提供了進行遷移、覓食、繁殖等關鍵生命活動的帶狀或網(wǎng)狀生態(tài)空間。生物體借助生態(tài)廊道這條“高速公路”，在不同生境之間自由移動。而其中珊瑚礁、海草床、河口濕地等關鍵生境被認為是生態(tài)廊道的重要區(qū)域。

然而，由于實地采樣的可及性受到多種因素的限制，加上高昂的人力物力成本以及物種長期跟蹤的困難，使得在使用傳統(tǒng)調(diào)查技術進行上述關鍵區(qū)域的生物多樣性調(diào)查以及重點生態(tài)廊道的識別和構建等工作時，顯得力不從心。傳統(tǒng)方法往往需要大量的人力和時間投入，且難以覆蓋廣泛的區(qū)域，這對于需要全面、細致調(diào)查的生物多樣性研究和生態(tài)廊道建設來說，無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)。此外，對于特定物種的長期跟蹤需要持續(xù)的監(jiān)測和記錄，而這在野外復雜的環(huán)境下，實施起來尤為困難。因此，尋找新的、更高效的技術手段，成為了當前生物多樣性保護和生態(tài)廊道研究領域中的一個迫切需求。

革新的eDNA技術

新興的環(huán)境DNA方法被認為打破這一瓶頸限制的重要技術。環(huán)境DNA（environmental DNA，簡稱eDNA）技術是通過分析環(huán)境中脫落的生物遺傳物質(zhì)來監(jiān)測物種存在的新興方法。生物體在日?；顒又袝尫牌つw細胞、黏液、排泄物等含有DNA的物質(zhì)，這些遺傳信息碎片可在水體、土壤甚至空氣中存留數(shù)小時至數(shù)周。與傳統(tǒng)生態(tài)調(diào)查相比，eDNA技術具有非侵入性、高靈敏度和大范圍覆蓋的優(yōu)勢。

eDNA技術實施流程主要分為三個階段：首先進行標準化樣本采集，使用特制濾膜裝置過濾一定體積的環(huán)境介質(zhì)（如水、土壤或空氣），捕獲生物顆粒；隨后在實驗室通過離心富集、蛋白酶消化等步驟提取純化DNA，并采用靶向擴增或宏基因組測序技術進行遺傳信息解讀；最后通過生物信息學比對全球基因數(shù)據(jù)庫，確定物種組成。目前新型納米孔測序儀已實現(xiàn)野外實時分析，單次檢測可識別上千個物種。

eDNA反映更詳細的歐洲河口生境魚類多樣性
近年來，應用eDNA技術評估河口這一關鍵過渡生境生物多樣性監(jiān)測的研究逐漸增加。例如，2024年發(fā)表在Science of The Total Environment期刊的題為“環(huán)境DNA條形碼反映了斯海爾德河口魚類群落的時空變化”（Environmental DNA metabarcoding reflects spatiotemporal fish community shifts in the Scheldt estuary）研究探討了使用eDNA宏條形碼技術結合傳統(tǒng)拖網(wǎng)捕魚方法在歐洲斯海爾德（Scheldt）河口監(jiān)測魚類多樣性的效果。研究旨在評估eDNA技術在大型河口生態(tài)系統(tǒng)中的適用性和效率，并驗證其在不同采樣深度、潮汐和季節(jié)變化下的表現(xiàn)。該研究在2021年春季、夏季和秋季的三個時間段內(nèi)，在斯海爾德河口的四個代表性地點進行拖網(wǎng)捕魚和eDNA采樣。通過比較這兩種方法檢測到的魚類種類和數(shù)量，評估eDNA技術在大規(guī)模監(jiān)測中的優(yōu)勢與局限性。研究結果表明，eDNA宏條形碼技術檢測到了71種魚類，而拖網(wǎng)捕魚僅檢測到42種，這表明eDNA技術在魚類多樣性監(jiān)測方面具有更高的敏感性。采樣深度和潮汐對eDNA數(shù)據(jù)的影響有限，而季節(jié)性變化對魚類群落組成有顯著影響。此外，eDNA技術能夠有效檢測到魚類群落的季節(jié)性變化，特別是在繁殖季節(jié)之后。這項研究證明了eDNA宏條形碼技術在河口生態(tài)系統(tǒng)魚類多樣性監(jiān)測中的有效性和高分辨率，建議在未來的監(jiān)測活動中結合傳統(tǒng)捕魚方法和eDNA采樣，以實現(xiàn)更全面和精確的監(jiān)測結果。

Scheldt河口使用eDNA和拖網(wǎng)的漁獲物 圖源? 2024 Elsevier

eDNA技術反映在大空間尺度物種棲息地分布的探索
除了在單一河口生境中的應用，驗證eDNA技術是否能夠在更大尺度上快速獲取物種分布數(shù)據(jù)是另一個亟待解決的問題。盡管最近一份關于鴨嘴獸的研究并非直接關注大空間尺度下的河口生境的生物多樣性，但筆者認為為解答這一問題提供了寶貴的參考。2024年發(fā)表在生物多樣性領域頂級國際學術期刊Diversity and Distributions的一項研究“利用eDNA采樣確定物種占用在大空間尺度上的相關性”（Using eDNA sampling to identify correlates of species occupancy across broad spatial scales）聚焦澳大利亞東南部約58.4萬平方公里區(qū)域（覆蓋鴨嘴獸分布范圍的37%），通過eDNA技術系統(tǒng)評估該物種的棲息地分布及關鍵影響因素。研究以瀕危物種鴨嘴獸（Ornithorhynchus anatinus）為模型，針對其隱蔽性強、傳統(tǒng)監(jiān)測效率低的特點，采用分層隨機抽樣設計，在504個位點采集水樣檢測eDNA，結合位點占用檢測模型分析景觀與微生境因子對物種占用的影響，旨在為瀕危物種保護提供科學依據(jù)。

該研究基于流域單元與植被狀態(tài)分層，選取215個代表性流域，每個流域內(nèi)按水道長短設置3-12個采樣位點。eDNA采樣通過高效的水樣采集實現(xiàn)快速覆蓋，結合qPCR技術檢測鴨嘴獸特異性DNA片段。隨后該研究將位點、樣本重復及技術重復的誤差納入模型框架，精準量化檢測概率與物種占用率。此外，研究引入氣候、地形及土地利用類型等多維度變量，解析不同尺度下棲息地選擇機制。

結果顯示，鴨嘴獸eDNA在54%的位點被檢測到，其棲息地偏好與高徑流、低零流量天數(shù)及適宜挖掘的河岸條件顯著相關，而農(nóng)業(yè)用地與灌木覆蓋比例較高的流域則顯著降低其占用概率。該研究首次在大尺度實證了eDNA技術對瀕危物種監(jiān)測的有效性，揭示了流域水文與土地利用對鴨嘴獸分布的關鍵作用。與傳統(tǒng)方法相比，eDNA技術顯著提升監(jiān)測效率，使跨區(qū)域生態(tài)評估成為可能，為應對氣候變化背景下物種保護策略的制定提供了數(shù)據(jù)支撐。研究強調(diào)，系統(tǒng)分層設計的eDNA采樣結合模型分析，可作為全球水生及半水生物種大尺度研究的范式，推動生物多樣性保護從局部觀測向區(qū)域統(tǒng)籌轉變。

未來展望
海洋生態(tài)廊道對于維持海洋生態(tài)的連通性起著至關重要的作用。識別、維護、修復以及構建不同生境間的生態(tài)廊道，是保護海洋生態(tài)系統(tǒng)及生物多樣性的關鍵措施之一。近年來，革新的eDNA技術顯示了巨大的潛力，有望在促進海洋生態(tài)連通性以及評估生物多樣性等方面提供有力支持。然而，值得注意的是，目前eDNA技術在海洋生態(tài)廊道識別與構建中的應用仍處于探索階段，其可行性尚需深入研究和論證。在此，筆者提出以下幾點未來發(fā)展方向，以供讀者思考和參考：

其一，在大空間尺度下，應開展eDNA技術在海洋生態(tài)廊道關鍵生境（如珊瑚礁、海草床、河口濕地等）生物多樣性評估應用的研究，制定統(tǒng)一的調(diào)查方法和技術規(guī)范，以確保數(shù)據(jù)的可比性和研究的可重復性。

其二，探索建立開放的重點水域重點物種（群）的基因數(shù)據(jù)庫，提高eDNA技術的普及和應用效率，避免重復研究，加速科學發(fā)現(xiàn)的進程。

其三，加強國際合作，構建全球性的合作平臺，整合全球研究資源，共同監(jiān)測生物的跨洋遷移，深入理解全球海洋生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化。

通過上述努力，我們有望充分發(fā)揮eDNA技術的潛力，進一步推動海洋生態(tài)廊道的研究和保護，為維護海洋生物多樣性和生態(tài)平衡作出重要貢獻。

（注：本文僅代表資訊，不代表平臺觀點。歡迎留言、討論。）

作者 | 戴秉國

審核 | Samantha

排版 | ms

參考資料略