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DNA“牽手”多肽“穿行”納米孔
發(fā)布日期: 2021-09-15 15:35:36 來源: 科技日?qǐng)?bào)

“生物多樣湯”技術(shù),是一種集合了高通量測(cè)序技術(shù)的新穎的生物多樣監(jiān)測(cè)手段,可以同時(shí)分析大量的混合生物樣本,更為快速高效地獲取高精度地面生物多樣數(shù)據(jù)。

螞蟥、蟑螂、螳螂……在云南高黎貢山,這些小動(dòng)物不只是兒時(shí)伙伴藏匿在盒子里引人尖叫的“玩具”,還有著不為人知的作用——監(jiān)測(cè)環(huán)境中的生物多樣。

早在2012年,中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所俞維理研究員帶領(lǐng)的生態(tài)學(xué)與環(huán)境保護(hù)中心團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn),通過對(duì)一定區(qū)域內(nèi)昆蟲樣本的混合DNA測(cè)序,可以對(duì)該區(qū)域的生物多樣進(jìn)行編目和監(jiān)測(cè)。他們?cè)趪H期刊《生態(tài)學(xué)與進(jìn)化方法》發(fā)表了第一篇描述“生物多樣湯”這一高通量條形碼技術(shù)流程的研究論文,并成為該期刊引用下載次數(shù)最高的文章之一。

期,俞維理團(tuán)隊(duì)再次在國際期刊《生態(tài)學(xué)與進(jìn)化方法》上發(fā)表了《生物多樣湯I(xiàn)I:更低錯(cuò)誤率的高通量條形碼流程》,通過優(yōu)化多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié),對(duì)快速監(jiān)測(cè)生物多樣的高通量條形碼技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。

“生物多樣湯”vs傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)

“所有的生物都含有DNA,即使是非常細(xì)小的碎片,其DNA也可以被用于物種鑒定。”俞維理說。

“生物多樣湯”正是利用了生物的這一特點(diǎn),通過不斷革新的分子手段和測(cè)序技術(shù)對(duì)混合的生物DNA樣本進(jìn)行分析,還原出混合生物樣本中的物種信息以及多樣特征,即生態(tài)學(xué)家們經(jīng)常說的α多樣指數(shù)、β多樣指數(shù)等。這些信息也是我們進(jìn)行生物多樣監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。

此前,俞維理團(tuán)隊(duì)將“生物多樣湯”與傳統(tǒng)的生物多樣監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比。用于比較的數(shù)據(jù)都來源于在中國云南、馬來西亞和英國分別開展的生物多樣監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,包括5.5萬份鱗翅目昆蟲和鳥類等物種信息。

“傳統(tǒng)數(shù)據(jù)可以說是生物多樣鑒定的黃金標(biāo)準(zhǔn),但要獲得這樣的數(shù)據(jù)需要付出高昂成本,因此保護(hù)學(xué)者和環(huán)境管理者們往往只能利用有限的信息來進(jìn)行決策。”俞維理介紹,由于其浩大的采樣和分類規(guī)模,研究不可避免地被限制在小的區(qū)域且難以有效復(fù)制。但現(xiàn)實(shí)情況是,研究結(jié)論亟待在大尺度上復(fù)制和檢驗(yàn),所以其團(tuán)隊(duì)采用的高通量方法,實(shí)現(xiàn)了更大尺度上的可操作。

“生物多樣湯”技術(shù)正是一種集合了高通量測(cè)序技術(shù)的新穎的生物多樣監(jiān)測(cè)手段,可以同時(shí)分析大量的混合生物樣本,獲取高精度的地面生物多樣數(shù)據(jù)。這一技術(shù)與依賴于大量分類學(xué)專家的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比更為快速高效,同時(shí)可靠高,并具有可供第三方檢驗(yàn)的新特點(diǎn)。其最大的突破,在于人們可以更容易地監(jiān)測(cè)環(huán)境變化和瀕危物種的狀況。

“升級(jí)版”可更高效準(zhǔn)確分析樣本

自“生物多樣湯”技術(shù)發(fā)表以來,俞維理團(tuán)隊(duì)一直在不斷完善這一技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié),并努力探索和拓展這一技術(shù)的應(yīng)用范圍。他們利用“生物多樣湯”技術(shù)探究了云南省哀牢山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)不同海拔段內(nèi)蛾類的生物多樣,結(jié)果表明與基于傳統(tǒng)形態(tài)鑒定的數(shù)據(jù)一樣,都能顯示出蛾類的群落組成隨海拔和采樣層次的變化趨勢(shì)。

“在哀牢山,我們還用同樣的方法研究了真菌多樣對(duì)朽木分解的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)真菌越多樣,朽木的二氧化碳釋放速率越低,也就是說多樣的真菌能讓倒木腐朽得更慢,這對(duì)于人們了解真菌多樣在維持全球生態(tài)系統(tǒng)碳衡中的作用提供了重要線索。”論文第一作者、中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所楊春燕博士向科技日?qǐng)?bào)記者介紹。

通過與云南省林業(yè)規(guī)劃院和哀牢山自然保護(hù)區(qū)管理局深度協(xié)作,研究團(tuán)隊(duì)借助于保護(hù)區(qū)現(xiàn)有分區(qū)巡邏的管理體系,利用“生物多樣湯”技術(shù)分析由護(hù)林員們采集的螞蟥樣本,通過分析其血液DNA中含有的脊椎動(dòng)物信息,以此來監(jiān)測(cè)哀牢山保護(hù)區(qū)內(nèi)脊椎動(dòng)物的多樣。這些都是俞維理團(tuán)隊(duì)利用“生物多樣湯”技術(shù)進(jìn)行生物多樣研究和監(jiān)測(cè)的成功案例。

年來,“生物多樣湯”技術(shù)憑借其快速、高效、監(jiān)測(cè)范圍廣的特點(diǎn),逐漸被各國的自然保護(hù)管理部門融入其日常監(jiān)測(cè)工作中,針對(duì)這一技術(shù)的科學(xué)研究也一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。俞維理團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié),獲得的升級(jí)版“生物多樣湯”,改進(jìn)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和生物信息學(xué)分析流程,降低錯(cuò)誤率的同時(shí)提高了運(yùn)算速率。

“升級(jí)版‘生物多樣湯’可以更高效更準(zhǔn)確地一次分析更多樣本,例如一個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目里采集到幾百個(gè)混合的生物樣本,在過去我們需要一個(gè)物種一個(gè)物種地去分析,但是借助這項(xiàng)技術(shù),我們可以一次分析這些樣本。”楊春燕表示,相信這項(xiàng)技術(shù)將能在我國“天空地一體化”監(jiān)測(cè)體系中發(fā)揮非常重要的作用。

聯(lián)袂衛(wèi)星、遙感進(jìn)行“天空地一體化”監(jiān)測(cè)

我國是生物多樣最為豐富的國家之一,生物多樣保護(hù)受到我國各級(jí)政府的高度重視。

“生物多樣調(diào)查、評(píng)估與監(jiān)測(cè),旨在獲取時(shí)空連續(xù)的生物多樣數(shù)據(jù),這是開展生物多樣保護(hù)的前提,但在目前的生物多樣保護(hù)研究中,如何快速獲得大量物種信息,仍是亟待破解的難題。”楊春燕告訴記者。

目前,日新月異的技術(shù)手段使生物多樣監(jiān)測(cè)正邁向一個(gè)嶄新的紀(jì)元。中外科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)提出了將多維的遙感數(shù)據(jù)和高精的地面數(shù)據(jù)連接用于監(jiān)測(cè)生物多樣的體系框架。我國更是率先將“天空地一體化”監(jiān)測(cè)體系明確列入了《關(guān)于建立以國家公園為主體的自然保護(hù)地體系的指導(dǎo)意見》中。而這個(gè)體系中一項(xiàng)重要的內(nèi)容就是,要快速高效地獲取地面精細(xì)的生物多樣信息。

我國提出的“天空地一體化”監(jiān)測(cè)體系可以提供研究區(qū)域多空間尺度、長時(shí)間跨度、連續(xù)的生物多樣數(shù)據(jù)。目前,俞維理團(tuán)隊(duì)將“生物多樣湯”技術(shù)(地)與衛(wèi)星(天)和地面遙感(空)數(shù)據(jù)相結(jié)合,在哀牢山保護(hù)區(qū)成功進(jìn)行了“天空地一體化”探索和應(yīng)用研究。

“‘天空地一體化’有效應(yīng)用于生物多樣監(jiān)測(cè),迫切需要解決兩個(gè)問題:在遙感監(jiān)測(cè)的區(qū)域如何快速高效地獲取地面精細(xì)的生物多樣信息;如何將高通量的生物多樣信號(hào)與遙感信號(hào)銜接。”楊春燕說,解決以上問題,我國具有得天獨(dú)厚的資源和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

據(jù)悉,我國的遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng),以及無人機(jī)地面遙感技術(shù)一直處于世界前沿,并已在多種環(huán)境監(jiān)測(cè)中得以應(yīng)用;目前我國有多個(gè)團(tuán)隊(duì)在研發(fā)地面高精生物多樣數(shù)據(jù)的獲取技術(shù),俞維理團(tuán)隊(duì)就是其中最早進(jìn)行這一嘗試的團(tuán)隊(duì);另外,我國建設(shè)有眾多的自然保護(hù)區(qū),其中一些建設(shè)較早的保護(hù)區(qū)具有豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累和設(shè)施完善的野外觀測(cè)臺(tái)站。

“依托這些自然保護(hù)區(qū)開展‘天空地一體化’的體系探索和應(yīng)用研究,有助于盡早實(shí)現(xiàn)該體系對(duì)我國生物多樣的有效監(jiān)測(cè),占領(lǐng)生物多樣監(jiān)測(cè)的前沿高地。”楊春燕說。

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