環(huán)境RNA技術(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性監(jiān)測中的應(yīng)用

李文瓊, 代書勤, 張 輝, 2, 3, 線薇薇, 2

環(huán)境RNA技術(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性監(jiān)測中的應(yīng)用

李文瓊1, 3, 代書勤1, 張 輝1, 2, 3, 線薇薇1, 2

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 中國科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

隨著人類活動在全球范圍內(nèi)的不斷增強(qiáng), 水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性喪失, 群落結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化。因此, 進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的生物多樣性監(jiān)測來確定目標(biāo)區(qū)域的物種豐度和群落結(jié)構(gòu)對生態(tài)保護(hù)和資源可持續(xù)利用至關(guān)重要。環(huán)境DNA技術(shù)(eDNA)作為一種非入侵性的新手段, 正在迅速發(fā)展, 然而, eDNA技術(shù)易出現(xiàn)假陽性, 從而導(dǎo)致實(shí)時生物多樣性監(jiān)測不準(zhǔn)確的現(xiàn)象仍然普遍存在。與eDNA技術(shù)相比, 環(huán)境RNA技術(shù)(eRNA)的快速降解使得它具有減少eDNA監(jiān)測結(jié)果假陽性的潛力。本文概述了eRNA技術(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性監(jiān)測中的可行性, 主要從eRNA技術(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)中的可檢測性和提高檢測分辨率的潛力兩個方面來介紹; 綜述了eRNA技術(shù)目前在水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性監(jiān)測方面的研究進(jìn)展; 指出了eRNA技術(shù)目前存在的問題并分析了未來的研究方向。本文對未來將eRNA技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性監(jiān)測、生態(tài)保護(hù)和資源可持續(xù)利用具有一定的參考價值。

環(huán)境RNA; 生物多樣性; 生態(tài)監(jiān)測; 生態(tài)保護(hù)

隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖、過度捕撈、礦物及油氣資源開發(fā)等人類活動在全球范圍內(nèi)的不斷增強(qiáng), 水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性喪失, 群落結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化[1]。為了在受影響區(qū)域?qū)嵤┘皶r、有效的措施以保護(hù)隱蔽的、脆弱的以及瀕危的物種, 提前干預(yù)和監(jiān)管外來物種的入侵行為并保證海洋資源的可持續(xù)利用, 探究準(zhǔn)確可靠的生物多樣性監(jiān)測方法來確定目標(biāo)區(qū)域的物種豐度和群落結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的[2-3]。

上述挑戰(zhàn), 以及傳統(tǒng)野外監(jiān)測方法的局限性, 均促進(jìn)了基于分子技術(shù)的生物多樣性監(jiān)測的快速發(fā)展。新型分子技術(shù)引入了對生物多樣性進(jìn)行非靶向監(jiān)測的可能性, 它可以探索研究區(qū)域的所有群落, 并進(jìn)一步提供了將某些稀有或未知物種和生態(tài)上重要的物種納入生物多樣性監(jiān)測的可能性[4]。目前應(yīng)用于生物多樣性監(jiān)測較為成熟的分子技術(shù)是環(huán)境DNA(environmental DNA, eDNA)技術(shù), 該技術(shù)成本低、破壞性小、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)使其越來越頻繁的應(yīng)用于水生生態(tài)監(jiān)測, 其中包括生物多樣性監(jiān)測及生物量定量評估。例如, Zhang等[5]基于eDNA 技術(shù)研究了長江口及其鄰近水域魚類群落, 結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)方法相比, eDNA技術(shù)能夠更為靈敏地監(jiān)測到魚類群落結(jié)構(gòu)隨季節(jié)的變化。Diao等[6]基于eDNA技術(shù)對中國南海的生物多樣性進(jìn)行監(jiān)測, 結(jié)果表明, 通過eDNA技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了對三大類群的多樣性監(jiān)測。以上研究均證明了eDNA技術(shù)能夠應(yīng)用于水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性監(jiān)測。在Salter等[7]對大西洋鱈魚進(jìn)行eDNA技術(shù)的定量研究中, 將eDNA技術(shù)與傳統(tǒng)拖網(wǎng)調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行比較, 發(fā)現(xiàn)大西洋鱈魚的捕獲量與eDNA技術(shù)所得結(jié)果呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 因此, eDNA技術(shù)具有水生生態(tài)系統(tǒng)的魚類種群的區(qū)域性定量評估的潛力。盡管eDNA技術(shù)日漸成熟且廣泛應(yīng)用于水生生態(tài)監(jiān)測, 然而eDNA在生物體離開后仍在環(huán)境中持續(xù)存在數(shù)周以及在水柱中遷移的能力, 可能導(dǎo)致檢測結(jié)果的假陽性, 從而導(dǎo)致實(shí)時生物多樣性評估不準(zhǔn)確[8-14]。而環(huán)境RNA技術(shù)(environ-mental RNA, eRNA)有望作為一種高敏感性的補(bǔ)充技術(shù)與eDNA技術(shù)結(jié)合使用來解決這一問題。

eRNA, 指在環(huán)境中存在的RNA, 由生物體釋放到周圍環(huán)境中, 主要以游離、囊泡或細(xì)胞的形式存在, 并在環(huán)境介質(zhì)中發(fā)生一段距離的遷移, 之后大部分eRNA迅速降解, 還有極少的eRNA吸附在沉積物顆粒上向下沉降并在深海沉積物中積累[15-17](圖1)。

圖1 環(huán)境RNA在海洋中的活動軌跡

eRNA技術(shù)指從環(huán)境樣本中直接提取RNA片段后進(jìn)行相關(guān)生物多樣性研究。eRNA技術(shù)的操作流程主要包括環(huán)境樣品采集, 提取樣品中的RNA并將其逆轉(zhuǎn)錄, 將獲得的互補(bǔ)DNA(complementary DNA, cDNA)作為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增, 以及基于高通量測序技術(shù)來監(jiān)測研究區(qū)域中的生物多樣性(圖2)。

圖2 eRNA技術(shù)的操作流程——以水樣為例

1 環(huán)境RNA技術(shù)在生物多樣性監(jiān)測中的可行性

與DNA相比, RNA是一種不太穩(wěn)定的分子。RNA分子的單鏈結(jié)構(gòu)、致使堿基催化水解的額外羥基的存在以及外源性和內(nèi)源性RNA酶的普遍存在可能是eRNA的降解速率較eDNA更快的主要原因[18-19]。因此, 普遍認(rèn)為環(huán)境介質(zhì)中的RNA會因其過快的降解速率而無法檢測到具有生物學(xué)意義的數(shù)量[20]。然而, 最近的實(shí)驗(yàn)研究表明, eRNA在水生生態(tài)系統(tǒng)中具有一定的可檢測性、高釋放率和快速周轉(zhuǎn)率, 這些eRNA所特有的優(yōu)勢以及eRNA技術(shù)在提高檢查分辨率方面的潛力, 使得eRNA技術(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性監(jiān)測中具有可行性。

1.1 環(huán)境RNA在水生生態(tài)系統(tǒng)中的可檢測性

Cristescu[15]在闡述eRNA持久性的綜述性文章中表明, 代謝活躍的生物體可以將大量RNA釋放到環(huán)境中, 而細(xì)胞外囊泡、衣殼等結(jié)構(gòu)的存在能夠防止RNA被RNA酶迅速降解, 從而大大延長了微生物或大型生物釋放到周圍環(huán)境中的RNA在環(huán)境中的存在時間; von Ammon等[21]在關(guān)于eDNA與eRNA分子信號的檢測相關(guān)性的研究中表明, eRNA的可檢測性隨著eDNA拷貝數(shù)的增加而增加。這些研究為eRNA在水生生態(tài)系統(tǒng)中的可檢測性提供了初步的理論依據(jù)。之后人們利用水族箱進(jìn)行受控實(shí)驗(yàn), 以更具體地探究eRNA在水體環(huán)境中的存在時間, 進(jìn)一步證實(shí)了eRNA在水生生態(tài)系統(tǒng)中的可檢測性。例如, Wood等[22]以兩種海洋無脊椎動物(纓鰓蟲和柄海鞘)為研究對象, 比較了eDNA和eRNA的可檢測時間, 研究發(fā)現(xiàn)eRNA在移除生物體的水族箱中的可檢測時間長達(dá)13 h, 比eDNA時間要短; Mérou等[23]在檢測受感染牡蠣中的牡蠣寄生蟲的eDNA和eRNA在海水中存在時間的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 牡蠣寄生蟲的eRNA能夠持續(xù)存在30 d, 比eDNA的存在時間還長; Marshall等[24]基于eDNA技術(shù)和eRNA技術(shù), 采集了移除斑馬貽貝和條紋貽貝后的水族箱樣品進(jìn)行研究, 結(jié)果表明在移除生物體的3 d后僅檢測到核糖體RNA(ribosomal RNA, rRNA)基因靶標(biāo), 而H2B信使RNA(messenger RNA, mRNA)基因靶標(biāo)在24 h后就無法檢測到。在最近的2項(xiàng)探究環(huán)境條件對eRNA降解速率影響的實(shí)驗(yàn)中, Qian等[25]調(diào)查了溫度對中國對蝦eRNA可檢測時間的影響, 結(jié)果顯示eRNA在低溫下可檢測時間較長(22 h左右), 而隨著溫度的升高, eRNA的可檢測時間縮短至11 h左右; Kagzi等[26]在基于pH梯度探究蚤狀溞eRNA的存在時間的研究中發(fā)現(xiàn), pH值的變化對其eRNA的存在時間影響不大, 范圍約為21～27 h。在最近的一項(xiàng)野外試驗(yàn)中, Littlefair等[27]發(fā)現(xiàn), 野外采集水樣后低溫儲存2～5 h仍然可以檢測到來自eRNA的可靠信號。因此, eRNA可以足夠持久的存在于水體環(huán)境中, 這使得eRNA具有一定的可檢測性。

1.2 環(huán)境RNA技術(shù)的檢測分辨率

eDNA技術(shù)的分辨率僅限于物種水平的檢測或種群水平的遺傳推斷, 而eRNA技術(shù)在這方面具有超越eDNA技術(shù)的潛力[28]。多年來, 侵入性生物監(jiān)測方法一直使用從組織或整個生物體產(chǎn)生的 mRNA圖譜來闡明個體的生物學(xué)狀態(tài)[29-30]。從微觀上來說, mRNA反映了來源生物的轉(zhuǎn)錄圖譜。個體隨時間推移或者來自不同環(huán)境的個體之間所產(chǎn)生的mRNA圖譜的變化可以作為生物體對特定環(huán)境應(yīng)激源反應(yīng)的特征。也就是說, 擁有相似基因圖譜的生物體, 根據(jù)它們的發(fā)育階段、生理狀態(tài)、遺傳背景或表型的不同, 可能會在轉(zhuǎn)錄圖譜中表現(xiàn)出顯著的差異[31-34]。

由于RNA序列只由在生物體組織內(nèi)轉(zhuǎn)錄活躍的基因產(chǎn)生, 因此不同狀態(tài)的同種生物之間相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄特征可以由生物體產(chǎn)生的eRNA來反映, 而這種生物特征可以在一段時間內(nèi)檢測到[22, 24]。因此, Yates[20]認(rèn)為eRNA技術(shù)能夠比eDNA技術(shù)以更高的檢測分辨率來更精確地反映物種的存在, 并提供物種存在與否之外的信息, 這個過程可以通過使用高特異性靶向分析檢測eRNA序列, 反映從環(huán)境樣品中檢測到產(chǎn)生的特異性或強(qiáng)烈上調(diào)的eRNA轉(zhuǎn)錄物相應(yīng)的生理狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。Tsuri等[35]的研究首次證明了eRNA技術(shù)具有提高檢測分辨率的能力, 研究通過斑馬魚eRNA的mRNA分型來確認(rèn)遺傳分子的組織來源, 發(fā)現(xiàn)一部分特定的靶向組織的mRNAs是在水中檢測到的eRNA的來源, 這進(jìn)一步證明了eRNA技術(shù)具有監(jiān)測水生脊椎動物生理狀態(tài)的潛力。因此, eRNA技術(shù)有望通過檢測不同生理狀態(tài)特異性表達(dá)的mRNA分型來監(jiān)測生物個體的生理狀態(tài), 從而提高生物多樣性監(jiān)測的檢測分辨率, 以更好的進(jìn)行生態(tài)保護(hù), 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)利用。

2 環(huán)境RNA技術(shù)的研究進(jìn)展

自2010年以來, 隨著生物技術(shù)特別是高通量測序技術(shù)的飛速發(fā)展, 越來越多的研究利用eRNA技術(shù)監(jiān)測復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)的不同生物的多樣性, 主要包括陸地以及水生生態(tài)系統(tǒng)等, 其中與水生生態(tài)系統(tǒng)有關(guān)的研究約占eRNA技術(shù)相關(guān)研究總數(shù)的89%[36-43](圖3)。

圖3 環(huán)境RNA研究統(tǒng)計

截至2022年7月, 相比于較為成熟并已投入實(shí)際應(yīng)用的eDNA技術(shù), 大多數(shù)評估eRNA技術(shù)對生物多樣性監(jiān)測的適用性的研究都是概念驗(yàn)證研究, 還有一部分是與eDNA技術(shù)進(jìn)行對比或作為傳統(tǒng)監(jiān)測方法和eDNA技術(shù)的補(bǔ)充方法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。雖然eRNA技術(shù)主要用于監(jiān)測水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性, 但其中多數(shù)研究主要集中在海洋沉積環(huán)境中的原核生物、微型真核生物等小型生物的多樣性監(jiān)測上, 而利用eRNA技術(shù)監(jiān)測海洋水體環(huán)境中的魚類等大型生物的生物多樣性的研究相對較少(圖4)。

圖4 以小型生物與大型真核生物為研究對象的環(huán)境RNA研究統(tǒng)計

2.1 環(huán)境RNA技術(shù)在小型生物多樣性監(jiān)測中的應(yīng)用

自2014年以來, 許多研究將eRNA技術(shù)用于水生生態(tài)系統(tǒng)的沉積環(huán)境和水體環(huán)境中原核生物、微型真核生物等小型生物的多樣性監(jiān)測上, 并與基于eDNA技術(shù)和傳統(tǒng)的監(jiān)測方法所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較, 以反映沉積物和水體中小型生物的多樣性受人類活動的影響, 評估eRNA技術(shù)在監(jiān)測水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性方面的可行性。盡管一部分研究認(rèn)為, eDNA技術(shù)在進(jìn)行生物多樣性監(jiān)測方面的可行性與eRNA技術(shù)一致甚至更高[41, 44-47]。但更多研究發(fā)現(xiàn), eRNA技術(shù)在生物多樣性監(jiān)測方面有相較eDNA技術(shù)所特有的優(yōu)勢, 因此能夠作為一種監(jiān)測水生生態(tài)系統(tǒng)的小型生物多樣性的有力工具(表1)。

表1 eRNA 技術(shù)應(yīng)用在小型生物群落監(jiān)測中的文獻(xiàn)統(tǒng)計

續(xù)表

在水生生態(tài)系統(tǒng)的沉積環(huán)境中, Pawlowski等[44, 50]和Pochon等[49]對海洋漁業(yè)養(yǎng)殖場沉積物中的有孔蟲進(jìn)行監(jiān)測, 發(fā)現(xiàn)eRNA技術(shù)能夠更加強(qiáng)烈地檢測到有孔蟲物種豐富度隨著有機(jī)富集程度的增加而急劇下降; Pochon等[49]基于eRNA技術(shù)所推斷的不同流量養(yǎng)殖場之間的有孔蟲群落結(jié)構(gòu)與基于eDNA技術(shù)及傳統(tǒng)的監(jiān)測方法的所得結(jié)果一致, 且eRNA技術(shù)所得數(shù)據(jù)與各項(xiàng)生物指數(shù)及環(huán)境變量之間存在比eDNA技術(shù)更強(qiáng)的相關(guān)性; Laroche等[41, 46, 51]在監(jiān)測近海石油鉆井對有孔蟲群落影響的研究中發(fā)現(xiàn)eRNA技術(shù)所得數(shù)據(jù)與環(huán)境變量及空間梯度之間的相關(guān)性更強(qiáng), 且能夠更好地反映人類活動對α多樣性的影響。Lejzerowicz等[48]監(jiān)測了蘇格蘭鮭魚養(yǎng)殖場中微型后生動物的生物多樣性, 證明了基于eRNA技術(shù)推斷的生物指數(shù)能更好地反映與基于傳統(tǒng)監(jiān)測方法所得生物指數(shù)之間的相關(guān)性; Forster等[56]以纖毛蟲為研究對象, 發(fā)現(xiàn)基于eRNA技術(shù)的纖毛蟲群落監(jiān)測的分辨率比基于eDNA技術(shù)的更高; Huang等[61]在對黃海冷水團(tuán)內(nèi)外底棲微型真核生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查的研究顯示, eRNA技術(shù)分析在監(jiān)測海洋底棲微型真核生物的空間分布方面具有很大優(yōu)勢。在水生生態(tài)系統(tǒng)的水體環(huán)境中, Marquardt等[52]和Meshram等[53]在監(jiān)測挪威西斯皮茨卑爾根島海水中的原生生物及微型藻類的生物多樣性研究中得出, eRNA技術(shù)能夠更好地反映微型真核生物群落中纖毛蟲類群的存在; Pochon等[54]對新西蘭附近碼頭的船艙壓載水樣品進(jìn)行調(diào)查, 發(fā)現(xiàn)基于eRNA技術(shù)與eDNA技術(shù)所得數(shù)據(jù)之間存在差異, 且更為突出地反映了纖毛蟲等微型后生動物的生物多樣性。eRNA技術(shù)可以作為水生生態(tài)系統(tǒng)小型生物多樣性監(jiān)測的有效工具。

2.2 環(huán)境RNA技術(shù)在大型生物多樣性監(jiān)測中的應(yīng)用

eRNA技術(shù)的相關(guān)研究多聚焦于海洋、淡水沉積物中的小型生物多樣性的監(jiān)測, 而以水生生態(tài)系統(tǒng)中的魚類等大型生物為研究對象的相關(guān)研究較少。但自2020年開始, 一些利用eRNA技術(shù)來監(jiān)測水生生態(tài)系統(tǒng)中大型生物多樣性的研究證實(shí), 其可以作為eDNA技術(shù)的一種補(bǔ)充工具來監(jiān)測魚類等大型生物的群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性(表2)。

表2 eRNA技術(shù)應(yīng)用在大型真核生物群落監(jiān)測中的研究統(tǒng)計

在水族箱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, Tsuri等[35]成功檢測了斑馬魚的6個特異性mRNA靶標(biāo); Miyata等[65]通過eRNA技術(shù)靶向在日本那珂河中采集的水樣中的線粒體12S rRNA基因, 成功地對魚類進(jìn)行了eRNA技術(shù)的分析, 結(jié)果顯示eRNA技術(shù)對環(huán)境中存在物種的檢測敏感性略高于eDNA技術(shù), 而陽性預(yù)測性明顯高于eDNA技術(shù), 同時, eRNA技術(shù)所得數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的實(shí)地調(diào)查所得物種豐度之間的相關(guān)性高于eDNA技術(shù), 因此, 可以得出eRNA技術(shù)具有更強(qiáng)的潛力來識別實(shí)際存在于采樣點(diǎn)的代謝活躍的魚類物種組合; Littlefair等[27]利用eRNA技術(shù)來調(diào)查加拿大IISD實(shí)驗(yàn)淡水湖區(qū)中采集的水樣, 研究成功確認(rèn)eRNA來源于魚類生物, 且實(shí)現(xiàn)了與eDNA技術(shù)相似的魚類物種檢測率, 甚至其檢測到的真陽性率明顯更高, 說明eRNA技術(shù)能夠準(zhǔn)確檢測到更多的已知存在于湖泊中的物種。因此, eRNA技術(shù)在監(jiān)測水生生態(tài)系統(tǒng)中包括魚類在內(nèi)的大型真核生物的多樣性方面是切實(shí)可行的。

2.3 環(huán)境RNA技術(shù)與環(huán)境DNA技術(shù)相結(jié)合

自2016年以來, 大量研究對水生生態(tài)系統(tǒng)中的小型生物多樣性進(jìn)行監(jiān)測, 證明了將eRNA技術(shù)與eDNA技術(shù)結(jié)合使用, 能夠監(jiān)測最近存在于研究區(qū)域的代謝活躍的生物類群, 有效改善eDNA技術(shù)所產(chǎn)生的假陽性, 以提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。Meshram等[53]的研究顯示, 將二者結(jié)合使用可以解釋已識別分類群的代謝活性水平; Pochon等[54]在調(diào)查船舶壓載水樣品的研究中, 進(jìn)一步證實(shí)了eRNA技術(shù)能夠確定環(huán)境樣品中是否存在代謝活躍的生物體; Lejzerowicz等[62]監(jiān)測太平洋上克拉里昂-克利珀頓區(qū)深海底棲微型真核生物的生物多樣性, 結(jié)果表明eRNA技術(shù)可以更準(zhǔn)確地描繪深海群落在空間和時間上的斑塊性, 從而反映代謝活躍的、更短的時間尺度內(nèi)的生物多樣性。Laroche等[41, 46]研究表明, 結(jié)合eRNA技術(shù)和eDNA技術(shù)所得數(shù)據(jù)、建立共享數(shù)據(jù)集, 有望成為處理遺留DNA、減少假陽性更為有效的方法; Greco等[64]監(jiān)測圍隔生態(tài)系統(tǒng)中鉻含量不同的沉積物中底棲有孔蟲群落所受的影響, 結(jié)果表明結(jié)合使用eRNA技術(shù)和eDNA技術(shù)有利于更準(zhǔn)確地捕捉生態(tài)影響; López- Escardó等[55]在基于eRNA技術(shù)調(diào)查歐洲六6個沿海地點(diǎn)采集的水柱和沉積物樣品的研究中發(fā)現(xiàn), 使用eRNA技術(shù)和eDNA技術(shù)所得的共享數(shù)據(jù)集能夠更好地監(jiān)測研究區(qū)域的生物多樣性。因此, eRNA技術(shù)有望成為eDNA技術(shù)的有力補(bǔ)充。

3 環(huán)境RNA技術(shù)存在的問題及改進(jìn)措施

eRNA技術(shù)可以與eDNA技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)、結(jié)合使用來提高監(jiān)測水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的準(zhǔn)確度, 但迄今為止, eRNA技術(shù)與eDNA技術(shù)仍然存在很多問題亟待解決。因此, 將eRNA技術(shù)作為新型補(bǔ)充工具投入實(shí)際應(yīng)用還需要很多努力(表3)。

表3 eDNA和eRNA技術(shù)監(jiān)測生物多樣性的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

一方面, 相比于eDNA技術(shù), eRNA的快速降解使eRNA技術(shù)投入應(yīng)用的條件更為嚴(yán)格[54]。具體表現(xiàn)在eRNA技術(shù)在樣品采集、保存以及提取過程中, 為了確保能夠獲得足量的eRNA以用于下游分析, 需要付出比eDNA技術(shù)更多的成本和時間。在目前的研究中, 將樣品低溫保存或儲存在RNA保存液中通常是最大限度地減少現(xiàn)場采樣和實(shí)驗(yàn)室處理之間eRNA損失的方法。然而, 低溫保存以及RNA保存液昂貴的成本, 使得eRNA技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用存在限制[70]。另一方面, 與eRNA的組成、來源、濃度等相關(guān)的問題還沒有明確的結(jié)論, 且水生生態(tài)系統(tǒng)中eRNA釋放和降解的相關(guān)研究均是在封閉的水族箱中針對有限的目標(biāo)物種進(jìn)行的, 并不能完全還原自然環(huán)境對eRNA的影響, 也無法推斷各項(xiàng)研究結(jié)果之間存在差異甚至完全相反的原因[20]。

因此, 需要針對eRNA的敏感性來進(jìn)一步研究專門、廉價且能夠廣泛應(yīng)用的采樣、保存以及提取方法, 從而得到濃度高、穩(wěn)定性好的eRNA以用于下游分析。另外, 需要對eRNA自身存在的問題及自然環(huán)境中不同物種的eRNA的釋放和降解進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論與展望

eRNA技術(shù)主要通過收集環(huán)境中的RNA片段來實(shí)現(xiàn)相關(guān)生物多樣性的監(jiān)測調(diào)查。作為一種新穎的分子技術(shù), 目前關(guān)于eRNA技術(shù)的研究大多是概念驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)性研究。在研究對象上, 目前基于eRNA技術(shù)的研究多集中于水生生態(tài)系統(tǒng)沉積環(huán)境中的原生生物等小型生物, 而有關(guān)水生生態(tài)系統(tǒng)中水體環(huán)境中的魚類等大型真核生物的研究相對較少; 在全球范圍內(nèi), 目前基于eRNA技術(shù)監(jiān)測水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的研究主要集中在新西蘭、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國家, 而國內(nèi)基于eRNA技術(shù)的相關(guān)研究相對空缺。但eRNA技術(shù)具有不容忽視的應(yīng)用價值, 在未來仍需國內(nèi)外的科研工作者們進(jìn)一步開展相關(guān)研究, 特別是對海洋水體環(huán)境中的魚類等大型真核生物多樣性的研究, 以充分發(fā)揮eRNA技術(shù)的優(yōu)勢和潛力, 為海洋生物多樣性監(jiān)測提供理論支持和技術(shù)手段。

目前, 將eRNA技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用還需要解決很多問題。第一, 需要進(jìn)一步對生物所釋放的eRNA在自然環(huán)境中的可檢測性進(jìn)行確定; 第二, 需要標(biāo)準(zhǔn)化eRNA技術(shù)的采集方法; 第三, 需要進(jìn)一步解決eRNA本身所存在的問題。eRNA技術(shù)的投入使用將有望準(zhǔn)確監(jiān)測最近存在于研究區(qū)域的代謝活躍的生物類群的生物多樣性, 減少eDNA技術(shù)帶來的假陽性, 傳遞生物個體生理狀態(tài)、環(huán)境壓力響應(yīng)和繁殖狀態(tài)信息, 提高實(shí)際應(yīng)用中的檢測分辨率, 從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度分析, 這有助于更準(zhǔn)確地監(jiān)測人類活動造成的環(huán)境擾動并為生態(tài)保護(hù)和資源可持續(xù)提供新的信息。但應(yīng)當(dāng)注意的是, eRNA技術(shù)并不能完全替代eDNA技術(shù), 應(yīng)將二者結(jié)合應(yīng)用, 優(yōu)勢互補(bǔ), 以有效減少誤差的出現(xiàn), 提高研究的準(zhǔn)確性, 在水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性監(jiān)測方面共同發(fā)揮作用。

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Application of environmental RNA technology in biodiversity monitoring of the aquatic ecosystem

LI Wen-qiong1, 3, DAI Shu-qin1, ZHANG Hui1, 2, 3, XIAN Wei-wei1, 2

(1. CAS Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The continuous increase in human activities worldwide has caused a loss of aquatic biodiversity and a dramatic change in the aquatic community structure. Therefore, accurate and reliable biodiversity monitoring is essential for ecological conservation and sustainable resource use to determine species abundance and community structure in target areas. Environmental DNA (eDNA) technology is a new and noninvasive monitoring method that is rapidly developing. However, eDNA technology is prone to false positives, which lead to inaccurate real-time biodiversity monitoring that is still widespread. Owing to its rapid degradation, environmental RNA (eRNA) is potentially less prone to false positives than eDNA. This paper summarized the feasibility of eRNA in biodiversity monitoring of the aquatic ecosystem, primarily focusing on its detectability and potential to improve detection resolution in the aquatic ecosystem. Furthermore, the current research progress in the field of eRNA was also summarized. Finally, the current challenges associated with using eRNA were discussed, and a possible future research direction was proposed. This paper can provide a valuable reference for the practical application of eRNA in biodiversity monitoring, ecological conservation, and sustainable use of resources in aquatic ecosystems in the future.

environmental RNA; biodiversity, ecological monitoring; ecological conservation

Nov. 1, 2022

[National Key Research and Development Project of China, No. 2022YFE0112800; National Natural Science Foundation of China, No. 42111540159; Youth Innovation Promotion Association CAS, No. 2020211]

P735

A

1000-3096(2023)8-0090-11

10.11759/hykx20221101002

2022-11-01;

2022-12-02

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目(2022YFE0112800); 國家自然科學(xué)基金(42111540159); 中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2020211)

李文瓊(1999—), 女, 山東泰安人, 碩士研究生, 主要研究方向?yàn)闈O業(yè)生態(tài), E-mail: liwenqiong@qdio.ac.cn; 張輝(1986—), 通信作者, 男, 山東安丘人, 研究員, 主要研究方向?yàn)闈O業(yè)生態(tài), E-mail: zhanghui@qdio.ac.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)