空氣中的 DNA 用於生物監測

環境 DNA(eDNA)分析具有巨大潛力,不僅可以通過基因檢測用於生物監測,提前預警入侵物種及稀有物種,還可以來研究古生物或已滅絕的物種。eDNA在無需收集活的生物有機體的情況下進行監測,從而能夠以非侵入性的方式研究活生物體,而不會對其造成人為壓力。空氣中的eDNA(airDNA)在探索現存尚無充分紀錄的物種之種群規模、分佈及動態扮演重要的角色,而與傳統的採樣方法相比較,airDNA 通常更具成本效益。

撰文|陳淵銓

來源:MotionElements

● 環境 DNA的意義及用途

環境 DNA(Environmental DNA, eDNA)是指環境樣本發現的不同生物基因組 DNA 混合,如動物經由排泄、咳嗽、吐出、毛髮脫落或其他方式釋放到環境中的遺傳物質,從各種環境樣本(如土壤、水或空氣)中收集 DNA,而非直接從單個生物體中採集 DNA。隨著各種生物體與環境相互作用,DNA 會從各種來源排出並在其周圍環境中積累。分析研究 eDNA 本質上就是分析 DNA 屬於那些物種,與傳統的動、植物調查原理相似,但是比起傳統採樣,eDNA 研究對生態系統造成的損害較小,速度也較快。此外,在不同的環境中所收集到的eDNA各有不同的應用,例如:在水域環境中,取樣水中的 eDNA 可用於識別魚類和其他水中生物,而無需捕捉它們;岩石或土壤中的 eDNA 可以揭示現存生物或古生物的存在,而無須實際接觸實體;通過收集空氣傳播的 eDNA 可明確識別蝴蝶、蜜蜂、飛蛾、蒼蠅、甲蟲及螞蟻等昆蟲的存在及分布差異。

生物在環境中生活,DNA 可能掉落各處,而且隨著各種生物與環境相互作用,DNA 會從生物體排出,並在周圍環境中積累。因此, eDNA 樣本包含的可能有土壤、沉積物、空氣、水、排泄物及腐爛的生物體或組織碎片,目前 eDNA 已越來越常用於監測生物、調查瀕危或入侵生物及研究物種佔有率,特別是針對水生生態系統。隨著 DNA 檢測技術越來越成熟,科學家已可從環境樣本直接檢測到動物的DNA,例如:美國華盛頓州立大學的科學家證實全球第四隻斑鱉(中國國家一級保護動物,龜類最瀕危物種之一)的存在;紐西蘭奧塔戈大學的研究人員希望藉此方法,分析尼斯湖湖水樣本,希望能找到關於尼斯湖水怪的證據。

 

● 空氣中的 eDNAairDNA可以改變生物監測和研究生物多樣性的能力

研究人員為了蒐集在樹林、草叢或田野的物種資訊,往往需要在高聳茂密的森林、荊棘叢生的灌木林、草叢及各種野生動物、昆蟲出沒的區域艱難跋涉,並採集樣本。然而,因為用於檢測物種的空氣傳播 DNA 技術上有了突破性的進展,airDNA可能會改變生物監測和研究生物多樣性的能力,我們可能可以藉由採樣空氣中的動、植物分子而大幅度簡化這項原本艱鉅的工作,分析這些分子不僅能幫助追踪及觀察動物或植物群落之種群規模、分佈、動態及如何因應氣候變化,亦可以用於早期預警外來入侵物種及需要保護的物種。

 

● airDNA:可以從空氣樣本收集動物DNA的證明

在2021年,英國研究人員探索、收集和過濾哺乳動物釋放於空氣中的eDNA(eDNAir, airDNA), 並評估以下三個項目:(1)是否可以從空氣樣品中提取DNA;(2)適用於水生 eDNA的風量偵測和過濾方式是否可直接應用於 airDNA;(3)收集的 airDNA來源。步驟如下;

  1. 取樣方法:使用電源驅動的蠕動泵連接到 Sterivex-HV 壓力過濾器,收集了從主空間“配對”樣本,過濾器指向遠離菌落的方向,均使用 22 µm 孔徑的薄膜過濾器進行採樣,然後用 45 µm 孔徑的過濾器重複此操作。
  2. airDNA 萃取:在最大流量的生物安全櫃中進行空氣中的DNA萃取,所有用到的工具和設備均先經過紫外線消毒,並在提取每件樣品之間,使用 10% 漂白劑和 70% 乙醇消毒生物安全櫃及使用過的工具。
  3. airDNA 的PCR 擴增:使用用以擴增脊椎動物 12S粒線體 DNA 的引子12S_V5,並且使用用於評估水中魚類 eDNA的 16S mam1和 16S mam2 引子靶向作用於哺乳動物 16S 線粒體 DNA。
  4. Sanger定序和高通量測序(high-throughput sequencing)

他們的研究結果顯示:使用空氣作為 DNA 來源的潛力很大,認為 airDNA 將可在有限的空間中發揮作用,如人造結構、樹洞、洞穴及地下系統等,因為混合物種可能會因為某些因素(如黑暗或難以接近)而很難目視分析,但是在這些有限的空間中產生稀釋效應是最小的。airDNA 監測的主要挑戰是空氣在有限空間的稀釋效應,特別是在洞穴和地下系統等密閉空間中效果較好,但在露天環境的開放空間中效果可能較差。

 

● 結論

eDNA現在已成為用於物種生物監測和生態研究發展的工具之一,雖然研究、商業和監管部門亦對此產生了濃厚的興趣,但eDNA仍主要用於偵測水生系統,如存在於土壤、雪和雨中的微量物質。已有研究結果證明可以利用airDNA用於識別哺乳動物,亦成功地證明了從空氣中採樣的 eDNA 包含混合模板(mixed template),並可以使用現有的採樣方法分析這些模板。空氣樣本是識別環境中物種的可行的 DNA 來源,即便使用低功率空氣收集的短採樣時間(如5分鐘)也可以產生多個目標物種的陽性 PCR 和測序結果。 隨著水中 eDNA 採樣已經成功,我們預計在不久的將來airDNA將在各種非侵入性採樣中更具有應用可行性,包括生態採樣及法醫分析。

 

參考資料

  1. Clare EL, Economou CK, Faulkes CG, Gilbert JD, Bennett F, Drinkwater R, Littlefair JE. eDNAir: proof of concept that animal DNA can be collected from air sampling. Peer J. 2021 Mar 31;9:e11030. doi: 10.7717/peerj.11030. eCollection 2021.
  2. Pawlowski J, Bonin A, Boyer F, Cordier T, Taberlet P. Environmental DNA for biomonitoring. Mol Ecol. 2021 Jul;30(13):2931-2936. doi: 10.1111/mec.16023. Epub 2021 Jun 27.
  3. Wang P, Yan Z, Yang S, Wang S, Zheng X, Fan J, Zhang T. Environmental DNA: An Emerging Tool in Ecological Assessment. Bull Environ Contam Toxicol. 2019 Nov;103(5):651-656. doi: 10.1007/s00128-019-02720-z. Epub 2019 Oct 3.
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