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监测生物多样性,用这碗“汤”就够

来源:科技日报2021-09-15 09:43

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  蚂蟥、蟑螂、螳螂……在云南高黎贡山,这些小动物不只是儿时伙伴藏匿在盒子里引人尖叫的“玩具”,还有着不为人知的作用——监测环境中的生物多样性。

  早在2012年,中国科学院昆明动物研究所俞维理研究员带领的生态学与环境保护中心团队研究发现,通过对一定区域内昆虫样本的混合DNA测序,可以对该区域的生物多样性进行编目和监测。他们在国际期刊《生态学与进化方法》发表了第一篇描述“生物多样性汤”这一高通量条形码技术流程的研究论文,并成为该期刊引用下载次数最高的文章之一。

  近期,俞维理团队再次在国际期刊《生态学与进化方法》上发表了《生物多样性汤II:更低错误率的高通量条形码流程》,通过优化多个技术环节,对快速监测生物多样性的高通量条形码技术进行了改进。

  “生物多样性汤”vs传统监测

  “所有的生物都含有DNA,即使是非常细小的碎片,其DNA也可以被用于物种鉴定。”俞维理说。

  “生物多样性汤”正是利用了生物的这一特点,通过不断革新的分子手段和测序技术对混合的生物DNA样本进行分析,还原出混合性生物样本中的物种信息以及多样性特征,即生态学家们经常说的α多样性指数、β多样性指数等。这些信息也是我们进行生物多样性监测的基础。

  此前,俞维理团队将“生物多样性汤”与传统的生物多样性监测方法进行了对比。用于比较的数据都来源于在中国云南、马来西亚和英国分别开展的生物多样性监测项目,包括5.5万份鳞翅目昆虫和鸟类等物种信息。

  “传统数据可以说是生物多样性鉴定的黄金标准,但要获得这样的数据需要付出高昂成本,因此保护学者和环境管理者们往往只能利用有限的信息来进行决策。”俞维理介绍,由于其浩大的采样和分类规模,研究不可避免地被限制在小的区域且难以有效复制。但现实情况是,研究结论亟待在大尺度上复制和检验,所以其团队采用的高通量方法,实现了更大尺度上的可操作性。

  “生物多样性汤”技术正是一种集合了高通量测序技术的新颖的生物多样性监测手段,可以同时分析大量的混合性生物样本,获取高精度的地面生物多样性数据。这一技术与依赖于大量分类学专家的传统监测方法相比更为快速高效,同时可靠性高,并具有可供第三方检验的新特点。其最大的突破,在于人们可以更容易地监测环境变化和濒危物种的状况。

  “升级版”可更高效准确分析样本

  自“生物多样性汤”技术发表以来,俞维理团队一直在不断完善这一技术的各个环节,并努力探索和拓展这一技术的应用范围。他们利用“生物多样性汤”技术探究了云南省哀牢山自然保护区内不同海拔段内蛾类的生物多样性,结果表明与基于传统形态鉴定的数据一样,都能显示出蛾类的群落组成随海拔和采样层次的变化趋势。

  “在哀牢山,我们还用同样的方法研究了真菌多样性对朽木分解的影响,结果发现真菌越多样,朽木的二氧化碳释放速率越低,也就是说多样的真菌能让倒木腐朽得更慢,这对于人们了解真菌多样性在维持全球生态系统碳平衡中的作用提供了重要线索。”论文第一作者、中国科学院昆明动物研究所杨春燕博士向科技日报记者介绍。

  通过与云南省林业规划院和哀牢山自然保护区管理局深度协作,研究团队借助于保护区现有分区巡逻的管理体系,利用“生物多样性汤”技术分析由护林员们采集的蚂蟥样本,通过分析其血液DNA中含有的脊椎动物信息,以此来监测哀牢山保护区内脊椎动物的多样性。这些都是俞维理团队利用“生物多样性汤”技术进行生物多样性研究和监测的成功案例。

  近年来,“生物多样性汤”技术凭借其快速、高效、监测范围广的特点,逐渐被各国的自然保护管理部门融入其日常监测工作中,针对这一技术的科学研究也一直是相关领域的研究热点。俞维理团队通过优化多个技术环节,获得的升级版“生物多样性汤”,改进了整个实验设计和生物信息学分析流程,降低错误率的同时提高了运算速率。

  “升级版‘生物多样性汤’可以更高效更准确地一次性分析更多样本,例如一个监测项目里采集到几百个混合的生物样本,在过去我们需要一个物种一个物种地去分析,但是借助这项技术,我们可以一次性分析这些样本。”杨春燕表示,相信这项技术将能在我国“天空地一体化”监测体系中发挥非常重要的作用。

  联袂卫星、遥感进行“天空地一体化”监测

  我国是生物多样性最为丰富的国家之一,生物多样性保护受到我国各级政府的高度重视。

  “生物多样性调查、评估与监测,旨在获取时空连续性的生物多样性数据,这是开展生物多样性保护的前提,但在目前的生物多样性保护研究中,如何快速获得大量物种信息,仍是亟待破解的难题。”杨春燕告诉记者。

  目前,日新月异的技术手段使生物多样性监测正迈向一个崭新的纪元。中外科学家几乎同时提出了将多维的遥感数据和高精的地面数据连接用于监测生物多样性的体系框架。我国更是率先将“天空地一体化”监测体系明确列入了《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的指导意见》中。而这个体系中一项重要的内容就是,要快速高效地获取地面精细的生物多样性信息。

  我国提出的“天空地一体化”监测体系可以提供研究区域多空间尺度、长时间跨度、连续性的生物多样性数据。目前,俞维理团队将“生物多样性汤”技术(地)与卫星(天)和近地面遥感(空)数据相结合,在哀牢山保护区成功进行了“天空地一体化”探索和应用研究。

  “‘天空地一体化’有效应用于生物多样性监测,迫切需要解决两个问题:在遥感监测的区域如何快速高效地获取地面精细的生物多样性信息;如何将高通量的生物多样性信号与遥感信号衔接。”杨春燕说,解决以上问题,我国具有得天独厚的资源和技术优势。

  据悉,我国的遥感技术、地理信息系统和全球定位系统,以及无人机近地面遥感技术一直处于世界前沿,并已在多种环境监测中得以应用;目前我国有多个团队在研发地面高精生物多样性数据的获取技术,俞维理团队就是其中最早进行这一尝试的团队;另外,我国建设有众多的自然保护区,其中一些建设较早的保护区具有丰富的基础数据积累和设施完善的野外观测台站。

  “依托这些自然保护区开展‘天空地一体化’的体系探索和应用研究,有助于尽早实现该体系对我国生物多样性的有效监测,占领生物多样性监测的前沿高地。”杨春燕说。(科技日报记者 赵汉斌)

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