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 eDNA（airDNA）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.