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同期两篇《Current Biology》:证明空气DNA能识别里面的动物

 

   

Air sampling equipment

    

这张照片展示了英国哈默顿动物园的野狗们对空气采样设备充满好奇。


动物园里的空气充满了各种气味,从用作饲料的鱼到食草动物的粪便,但现在我们知道,空气中也充满了生活在那里的动物的DNA。在1月6日的《Current Biology》杂志上,两个研究小组各自发表了一项独立的概念证明研究,表明通过从当地动物园采集空气样本,他们可以收集到足够的DNA来识别附近的动物。这可能被证明是追踪生物多样性的一种有价值的、非侵入性的工具。

“从脊椎动物身上捕获空气中传播的环境DNA,使我们有可能探测到甚至是我们看不到的动物,”研究人员、哥本哈根大学团队的负责人Kristine Bohmann说。

陆生动物可以通过许多方式被监测:直接通过摄像机和现场观察,或者间接通过它们留下的东西,比如脚印或粪便。这些方法的缺点是需要进行密集的野外工作,并且需要动物在场。例如,通过摄像机监控动物需要知道在动物的路径上放置摄像机的位置,从成千上万的图片中筛选,通常还需要一点运气。

“在我职业生涯的早期,我曾去过马达加斯加,希望能看到很多狐猴。但实际上,我很少见到它们。相反,我只是听到它们从树冠上跳开。”Bohmann说。“所以,对许多物种来说,通过直接观察来发现它们需要做很多工作,尤其是如果它们难以捉摸,生活在非常封闭或难以接近的栖息地。”

“与人们在河流和湖泊中发现的东西相比,监测空气中的DNA真的非常非常困难,因为空气中的DNA似乎被超级稀释了,”伦敦玛丽女王大学研究小组的首席研究员Elizabeth Clare说。“但我们的动物园研究还没有在不同的样本、基因、地点和实验方法上失败。所有这些都非常有效。”

Bohmann和Clare通过收集其他含有动物脱落DNA的样本,从他们过去监测野生动物的研究中汲取了大量资源。这被称为“环境DNA”或eDNA,是一种成熟的技术,最常用来通过对水样中的eDNA测序来监测水生生物。

Bohmann说:“空气包围着一切,我们希望在优化对动物DNA的真正检测的同时,避免样本受到污染。我们对空气中eDNA的最新研究涉及到我们处理eDNA样本时通常做的事情,只是稍微调整了一下。”

每个研究小组都在当地动物园进行研究,在动物园的不同地方收集样本,包括热带房屋和室内马厩等有围墙的围栏内,以及露天的室外围栏。“为了收集空气中的eDNA,我们使用了一个风扇,就像你用来冷却电脑的风扇一样,并在风扇上附加了一个过滤器。然后我们让它运行一段时间,”哥本哈根大学第一作者和博士后研究员Christina Lynggaard说。

风扇从动物园和周围的环境中吸进空气,这些空气可能含有多种来源的遗传物质,比如呼吸、唾液、皮毛或粪便,尽管研究人员还没有确定确切的来源。“它可以是任何可以在空中飞行的东西,而且足够小,可以继续漂浮在空中。空气过滤后,我们从过滤器中提取DNA,并使用PCR扩增技术复制了大量动物DNA。在DNA测序之后,我们处理了数以百万计的序列,并最终将它们与DNA参考数据库进行比较,以确定动物物种。

“这是一种信念的飞跃,因为当你处理常规组织或甚至水生DNA样本时,你可以测量你有多少DNA,但这些样本在法医上我们处理的是微量的DNA。在很多情况下,当我们只取样几分钟时,我们无法测量DNA,所以我们必须跳到PCR的下一个阶段,我们要找出其中是否有DNA。当我们进行数小时的抽样时,我们会得到更多,但这是一种权衡。”

在每一项研究中,研究人员都在动物园内和附近发现了动物。

团队来自伦敦玛丽女王大学,检测到了25种哺乳动物和鸟类的DNA,甚至还检测到了英国濒临灭绝的欧亚刺猬的DNA。哥本哈根大学的Bohmann团队发现了49种非人类脊椎动物,包括哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类。这些动物包括动物园里的动物,如霍加皮和犰狳,甚至热带房子里池塘里的孔雀鱼,当地的动物,如松鼠,以及害虫动物,如棕鼠和家鼠。此外,他们还在动物园里发现了用作其他动物饲料的鱼类。两个团队都采取了广泛的措施来检查他们的样本是否被污染,包括被实验室里已经存在的DNA污染。

通过选择动物园作为他们研究的地点,研究人员知道了大量非本地物种的位置,所以他们可以分辨出真实信号和污染物之间的区别。“我们本来想去农场,但如果你采集到奶牛的DNA,你必须问:‘这头牛是在这里,还是在100英里外,还是在某人的午餐里?但以动物园为模型,除了动物园的老虎,我没有其他方法来检测老虎的DNA。这让我们能够真正测试检出率,”Clare说。

“我们的实验室都在开发和应用新工具,所以也许我们在同一时间得出相同的想法并不奇怪。”

然而,Bohmann和Clare这两个研究小组同时在《Current Biology》杂志上发表论文绝不是巧合。两个小组在预印本服务器上看到彼此的文章后,决定共同向该杂志投稿。Clare说:“我们决定赌一赌,我们不愿意在这个项目上竞争。事实上,这是一个非常疯狂的想法,我们最好有独立的确认,这是有效的。两个团队都非常渴望看到这项技术的发展。”

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哥本哈根大学:《Current Biology》,lyngaard等人“Airborne environmental DNA for terrestrial vertebrate community monitoring,” https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01690-0
DOI: 10.1016/j.cub.2021.12.014

玛丽女王大学:《Current Biology》,Clare等人“Measuring biodiversity from DNA in the air,” https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01650-X DOI: 10.1016/j.cub.2021.11.064


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