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“生物多樣性湯”技術，是一種集合了高通量測序技術的新穎的生物多樣性監(jiān)測手段，可以同時分析大量的混合性生物樣本，更為快速高效地獲取高精度地面生物多樣性數(shù)據(jù)。

螞蟥、蟑螂、螳螂……在云南高黎貢山，這些小動物不只是兒時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)測環(huán)境中的生物多樣性。

早在2012年，中國科學院昆明動物研究所俞維理研究員帶領的生態(tài)學與環(huán)境保護中心團隊研究發(fā)現(xiàn)，通過對一定區(qū)域內(nèi)昆蟲樣本的混合DNA測序，可以對該區(qū)域的生物多樣性進行編目和監(jiān)測。他們在國際期刊《生態(tài)學與進化方法》發(fā)表了第一篇描述“生物多樣性湯”這一高通量條形碼技術流程的研究論文，并成為該期刊引用下載次數(shù)最高的文章之一。

近期，俞維理團隊再次在國際期刊《生態(tài)學與進化方法》上發(fā)表了《生物多樣性湯II：更低錯誤率的高通量條形碼流程》，通過優(yōu)化多個技術環(huán)節(jié)，對快速監(jiān)測生物多樣性的高通量條形碼技術進行了改進。

“生物多樣性湯”vs傳統(tǒng)監(jiān)測

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

“生物多樣性湯”正是利用了生物的這一特點，通過不斷革新的分子手段和測序技術對混合的生物DNA樣本進行分析，還原出混合性生物樣本中的物種信息以及多樣性特征，即生態(tài)學家們經(jīng)常說的α多樣性指數(shù)、β多樣性指數(shù)等。這些信息也是我們進行生物多樣性監(jiān)測的基礎。

此前，俞維理團隊將“生物多樣性湯”與傳統(tǒng)的生物多樣性監(jiān)測方法進行了對比。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性監(jiān)測項目，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)可以說是生物多樣性鑒定的黃金標準，但要獲得這樣的數(shù)據(jù)需要付出高昂成本，因此保護學者和環(huán)境管理者們往往只能利用有限的信息來進行決策。”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)域且難以有效復制。但現(xiàn)實情況是，研究結(jié)論亟待在大尺度上復制和檢驗，所以其團隊采用的高通量方法，實現(xiàn)了更大尺度上的可操作性。

“生物多樣性湯”技術正是一種集合了高通量測序技術的新穎的生物多樣性監(jiān)測手段，可以同時分析大量的混合性生物樣本，獲取高精度的地面生物多樣性數(shù)據(jù)。這一技術與依賴于大量分類學專家的傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比更為快速高效，同時可靠性高，并具有可供第三方檢驗的新特點。其最大的突破，在于人們可以更容易地監(jiān)測環(huán)境變化和瀕危物種的狀況。

“升級版”可更高效準確分析樣本

自“生物多樣性湯”技術發(fā)表以來，俞維理團隊一直在不斷完善這一技術的各個環(huán)節(jié)，并努力探索和拓展這一技術的應用范圍。他們利用“生物多樣性湯”技術探究了云南省哀牢山自然保護區(qū)內(nèi)不同海拔段內(nèi)蛾類的生物多樣性，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。

“在哀牢山，我們還用同樣的方法研究了真菌多樣性對朽木分解的影響，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，這對于人們了解真菌多樣性在維持全球生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中的作用提供了重要線索。”論文第一作者、中國科學院昆明動物研究所楊春燕博士向科技日報記者介紹。

通過與云南省林業(yè)規(guī)劃院和哀牢山自然保護區(qū)管理局深度協(xié)作，研究團隊借助于保護區(qū)現(xiàn)有分區(qū)巡邏的管理體系，利用“生物多樣性湯”技術分析由護林員們采集的螞蟥樣本，通過分析其血液DNA中含有的脊椎動物信息，以此來監(jiān)測哀牢山保護區(qū)內(nèi)脊椎動物的多樣性。這些都是俞維理團隊利用“生物多樣性湯”技術進行生物多樣性研究和監(jiān)測的成功案例。

近年來，“生物多樣性湯”技術憑借其快速、高效、監(jiān)測范圍廣的特點，逐漸被各國的自然保護管理部門融入其日常監(jiān)測工作中，針對這一技術的科學研究也一直是相關領域的研究熱點。俞維理團隊通過優(yōu)化多個技術環(huán)節(jié)，獲得的升級版“生物多樣性湯”，改進了整個實驗設計和生物信息學分析流程，降低錯誤率的同時提高了運算速率。

“升級版‘生物多樣性湯’可以更高效更準確地一次性分析更多樣本，例如一個監(jiān)測項目里采集到幾百個混合的生物樣本，在過去我們需要一個物種一個物種地去分析，但是借助這項技術，我們可以一次性分析這些樣本。”楊春燕表示，相信這項技術將能在我國“天空地一體化”監(jiān)測體系中發(fā)揮非常重要的作用。

聯(lián)袂衛(wèi)星、遙感進行“天空地一體化”監(jiān)測

我國是生物多樣性最為豐富的國家之一，生物多樣性保護受到我國各級政府的高度重視。

“生物多樣性調(diào)查、評估與監(jiān)測，旨在獲取時空連續(xù)性的生物多樣性數(shù)據(jù)，這是開展生物多樣性保護的前提，但在目前的生物多樣性保護研究中，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，日新月異的技術手段使生物多樣性監(jiān)測正邁向一個嶄新的紀元。中外科學家?guī)缀跬瑫r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)測生物多樣性的體系框架。我國更是率先將“天空地一體化”監(jiān)測體系明確列入了《關于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》中。而這個體系中一項重要的內(nèi)容就是，要快速高效地獲取地面精細的生物多樣性信息。

我國提出的“天空地一體化”監(jiān)測體系可以提供研究區(qū)域多空間尺度、長時間跨度、連續(xù)性的生物多樣性數(shù)據(jù)。目前，俞維理團隊將“生物多樣性湯”技術(地)與衛(wèi)星(天)和近地面遙感(空)數(shù)據(jù)相結(jié)合，在哀牢山保護區(qū)成功進行了“天空地一體化”探索和應用研究。

“‘天空地一體化’有效應用于生物多樣性監(jiān)測，迫切需要解決兩個問題：在遙感監(jiān)測的區(qū)域如何快速高效地獲取地面精細的生物多樣性信息;如何將高通量的生物多樣性信號與遙感信號銜接。”楊春燕說，解決以上問題，我國具有得天獨厚的資源和技術優(yōu)勢。

據(jù)悉，我國的遙感技術、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)，以及無人機近地面遙感技術一直處于世界前沿，并已在多種環(huán)境監(jiān)測中得以應用;目前我國有多個團隊在研發(fā)地面高精生物多樣性數(shù)據(jù)的獲取技術，俞維理團隊就是其中最早進行這一嘗試的團隊;另外，我國建設有眾多的自然保護區(qū)，其中一些建設較早的保護區(qū)具有豐富的基礎數(shù)據(jù)積累和設施完善的野外觀測臺站。

“依托這些自然保護區(qū)開展‘天空地一體化’的體系探索和應用研究，有助于盡早實現(xiàn)該體系對我國生物多樣性的有效監(jiān)測，占領生物多樣性監(jiān)測的前沿高地。”楊春燕說。

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