环境DNA方法在北极地区鱼类多样性研究中的应用潜力

王芮 林龙山 李海 张然,2 李渊

研究进展

环境DNA方法在北极地区鱼类多样性研究中的应用潜力

王芮1林龙山1李海1张然1,2李渊1

(1自然资源部第三海洋研究所, 福建 厦门 361005;2厦门大学海洋与地球学院, 福建 厦门 361002)

随着生物技术的发展, 环境DNA(environmental DNA, eDNA)方法被广泛应用到水生生物多样性研究中。与传统方法相比, eDNA方法具有灵敏度高、省时省力、对调查的生物对象无损伤等优点, 并可以快速地检测出调查区域内生物种类组成、稀有物种等。但目前eDNA方法在极地海洋生物多样性研究中的应用极少, 本文综述了国内外eDNA的研究现状, 分析了该方法的优点与缺点, 结合北极地区海洋鱼类生物多样性研究现状, 展望了eDNA方法在北极地区海洋鱼类生物多样性研究中的应用潜力以及可能面临的相关挑战。

环境DNA 北极地区 鱼类生物多样性 应用潜力

0 引言

北极地区的海洋生态系统与地球上其他海域的生态系统有较大差别。中心海域为北冰洋, 存在着多年的浮冰, 太阳辐射、冰雪覆盖以及相关的大气环境均会随着季节产生剧烈的变化。北冰洋随季节而变化的环境状况、当地固有的自然地理状况以及与大西洋、太平洋通过所谓的“北极通道”的连通一起塑造了北极海域的海洋生态系统。北极地区除中心海域的北冰洋外, 还包括北冰洋的边缘海域, 例如巴伦支海、白令海、楚科奇海等, 与北冰洋相比, 这些边缘海存在着地球上生产力最高的海洋生态系统之一。与南极相比, 北极的地质年龄较小, 不稳定的持续周期性震动的环境和不稳定的生物地理隔离, 使北极与北方其他海区有着强烈的物种交流, 种类组成以北方冷水种和广温性的迁入种类为主, 迄今为止, 科学家们在北极海域共发现了近8 000种生物, 其中鱼类有200多种[1-2], 但未被发现的种类数可能更多。

目前, 国际上有多个针对极地海洋生物多样性的研究计划已经或正在开展, 如: 北极海洋多样性计划、北极生物多样性评估计划、北极植物和动物保护计划、生物分布观测计划等。从诸多的国际计划上可以看出, 全球范围内对北极地区海洋生物多样性的关注度极高。同时, 由于北极地区对气候变化的敏感性, 北极地区生物多样性与气候变化的关系、与环境变化的关系已经成为了国际上的研究热点。Bluhm等[3]更新了北极生物的物种清单, 举例说明了可以作为环境变化指标的多样性变化现象, 强调了填补北极地区知识空白的必要性与紧迫性, 建议以公开、开放的方式对北极海洋生物多样性进行定期的、战略性的和持续性的监控, 以提供全面的数据, 为管理、保护和其他相关决策提供依据。Hansell等[4]研究了北极大气环境改变与生物多样性的关系, 其结果指出, 影响北极地区生物多样性的因素很多, 通过对北极地区生物多样性的研究可以掌握北极地区的敏感信息, 有助于加深对北极生物区系、人类种群和自然环境之间复杂相互作用的理解。Wisz等[5]研究分析北冰洋周边海域的鱼类多样性问题, 结果发现北极变暖将促进大西洋、太平洋与北极周边海域的鱼类种类交换, 这种交换可能会触发北大西洋和北太平洋生物多样性和食物网的变化, 指出研究北极鱼类多样性可以分析生态系统的变化。此外, 国内对北极海洋生物多样性的研究也日益增多, 陈永俊等[6]分析了白令海和楚科奇海鱼类种类组成及其对生态环境变化的响应问题, 结果指出气候变化引起部分北极、亚北极海区鱼类出现不同程度的纬向和纵向移动, 由此将引起北极渔业资源分布格局的变化。张然等[7]对白令海鱼类分类多样性及鱼类区系进行了相关研究, 其结果指出随着全球气候变化导致白令海海域的冷水团北移和海水表面温度上升, 部分鱼类持续性北移可能是白令海的鱼类物种组成结构改变的主要原因。纵观国际上的相关科研组织, 以及国内外学者的相关研究, 我们可以发现北极地区海洋生物多样性的问题是重要的科学问题, 其研究结果可以延伸到许多方面, 是解释和预测北极地区生态环境变化、全球气候变化的基础。但目前北极地区仍缺少长期且连续的生物监测, 缺少大规模的生物多样性标准化数据库。

目前, 对于生物多样性的研究一般采取诸如拖网采样调查、潜水采样调查等传统方式获取样本, 但这些方法的局限性较大, 无法全面、准确的掌握生物多样性的信息, 还会耗时耗力。此外, 北极海域位于高纬度地区, 地理环境和气候环境恶劣, 不利于大范围的和连续时间范围内的科学调查, 对高纬度海洋诸多方面的了解甚少, 在很大程度上阻碍了人类对极地生物多样性的监测, 尤其是对生活在海洋中的众多鱼类, 监测过程更加困难。面对北极地区目前所承受的生态压力及其生物多样性信息缺乏的现状, 急需寻找一种经济、高效、全面且准确的物种多样性监测与调查方法。随着分子生物学的迅速发展, 基于环境DNA(environmental DNA, eDNA)方法的物种监测技术逐渐发展起来, 环境DNA概念源于从环境样品中直接获得微生物核酸[8-10]。研究学者们对来自于土壤[11]、多年冻土[12-13]、淡水[14]、海水[15]中的微生物eDNA进行了广泛的研究, 这些研究为细菌的多样性和功能基因组学的研究提供了宝贵的见解。此后, 随着高通量测序等生物技术的快速发展, eDNA方法在越来越多的领域开始得到应用。在水生生物监测、生物多样性的研究中, 该方法逐渐成为了一种新型的监测方法, 具体是指从自然介质中提取的DNA, 主要来源于生物的表皮细胞脱落、粪便、唾液以及分泌物等[16]。通过分析自然介质中的DNA进行物种的鉴定与相应的检测[17-19]。由于该方法具有灵敏度高、省时省力、对调查生物无损害等特点和优势, 并可以快速监测调查区域中的生物组成情况, 因此, 该方法被应用于众多水域(包括废水、河流、池塘、溪流、湖泊、潟湖、海洋)的水生生物监测和研究[17]。综合北极地区的环境特征和eDNA方法的特点, 发展该方法去监测北极地区的生物多样性会促进和进一步完善未来北极地区生物多样性的监测工作, 但目前, 如何有效地在极地特殊环境下利用eDNA方法进行海洋生物多样性监测是我们所需要关注的问题。因此, 本文综述了eDNA在生物多样性研究中的国内外现状, 分析了其相应的优势与劣势, 并讨论了eDNA方法在北极地区生物多样性研究中的应用潜力和将面对的难题, 旨在为极地海洋生物多样性的研究提供新思路、新方法, 补充以往研究中的不足, 为未来搭建极地生物多样性检测系统和标准化数据库奠定理论技术基础。

1 环境DNA方法在海洋环境中的应用现状及其优劣势分析

二十世纪初, 相关学者们从陆地沉积物、水生沉积物、冰、土壤等自然介质中提取eDNA样本, 用来监测与分析哺乳动物、鸟类、昆虫、植物、真菌等生物的变化。2005年以后, eDNA方法被更广泛地应用在淡水环境中的水生生物监测与多样性研究当中, 研究学者们从废水、河流、池塘、溪流、湖泊、潟湖以及人造水域环境中采集eDNA样本, 从而研究分析调查区域内生物的种类组成、生物多样性, 监测调查区域内生物种类的变化, 评估调查区域内目标种类的生物量等[20-22]。海洋环境较为复杂, 同时不可控的因素与难于量化的标准较多。因此, 目前eDNA在海洋环境中的应用相对较难。

2012年, Thomsen等[23]在近海环境中, 将eDNA方法与9种常规的鱼类资源调查方法做了深入的比较, 结果显示该方法比9种常规调查方法更为灵敏, 更适合用于鱼类多样性的研究, 同时对eDNA在海洋环境中的潜在扩散做了降解实验, 表明DNA片段会在几天内降解到无法检测的程度, 且表明在未来利用eDNA方法监测海洋环境中的生物时需要对所处的自然环境有一定的认识和了解, 最好通过实验验证环境对eDNA样品的影响。该研究在验证概念的情况下, 其结果充分体现了eDNA方法在资源调查中的灵敏度以及较高的经济效益, 但同时也展现了eDNA方法在海洋环境中应用时存在的一些问题, 例如eDNA样品保存的时效性问题等; Foote等[24]利用eDNA的方法监测海洋哺乳动物, 虽然结果显示eDNA的检测成功率要比声学检测设备的成功率低, 但在调查的海域内发现了很少被监测到的长鳍鲸鱼, 证明了eDNA方法可以作为海洋哺乳动物监测的有力补充, 该研究验证了eDNA的概念, 证明了eDNA方法是生物多样性监测中的有力补充手段, 但eDNA样品在海洋环境中的分散度和稀释度要高于淡水环境, 所处自然环境会对eDNA样品造成多大程度的影响均是eDNA方法目前存在且尚未得到很好解决的问题; 2014年, Kelly等[25-26]利用eDNA方法对海水水族馆中的脊椎动物进行检测, 结果显示获得的eDNA序列丰度与相应物种数量之间存在明显的定量关系, 证实了eDNA具有成为生物监测核心工具的潜力, 并指出应该通过对已知组成和生物量的群落进行验证试验来评估eDNA测序技术的错误率, 但从该实验中可以看出分析检测出的序列与模板DNA之间的关系存在一定的不确定性, 相关物种之间测序DNA片段的变异性、测序片段的长度以及参考用数据库的完整性、eDNA采样区域内的时间与空间的变化以及eDNA样品的时效性会从不同的角度影响检测结果; 2016年, Thomsen等[27]对亚北极地区深水鱼类进行eDNA技术和拖网调查进行比较研究, 结果显示两种方法共鉴定鱼类26科, 其中有3科仅出现在eDNA技术鉴定中, 2科仅出现在底拖网调查中, 此外, eDNA结果中检测到大量保护物种格陵兰鲨()的存在, eDNA方法在本研究中充当了一种有效的辅助检测, 同常规性的拖网调查相比, 该方法在某种意义上是一种非入侵性的方法, 但eDNA方法的检测结果与生物丰度或与资源量的相关关系并不能很好地建立, 资源评估和管理工作所用的数据可能还需要通过传统的拖网调查所获取, 而根据eDNA检测结果进行对生物量的定量推断是未来一个很大的挑战。2017年, 赵梦迪[28]利用eDNA方法分析了冬季中国黄海水域的鱼类多样性, 经过与传统调查与分析方法的比较, 证实了eDNA方法在渔业资源调查中的可行性, 但通过对比实验表明该方法存在许多问题, 在现阶段只建议将eDNA方法作为传统资源调查方式的补充手段。

2018年, Rodgers等[29]设计特异性引物利用eDNA技术对阿拉斯加北坡的湖泊和河流内的5种重要北极鱼类进行检测, 结果发现所有采集水样中均能鉴定出目标种, 为渔业管理应对气候变化提供科学依据, 该研究体现了eDNA方法经济实用, 有助于改进对生物分布变化的监测, 尤其是对稀有的或低丰度的物种或种群进行监测时, 可以提高检测概率, 此外, 可以将eDNA方法收集的数据应用到相应的模型中, 预测物种对自然资源开发和气候变化的反应, 但从其具体的实验结果来看, 假阴性结果和误报是eDNA方法目前存在的问题。2018年, Lacoursière-Roussel等[30]利用eDNA方法对北极地区沿海的后生动物的生物多样性进行了研究, 共检测出181个物种, 证明了eDNA方法具有记录大规模北极海洋生物多样性变化的潜力, 并可以在各种环境条件下进行取样, 但如何在空间和时间上进行标准化, 以便准确评估种群结构变化是未来需要进一步深入研究的问题。目前, eDNA方法除了在一般海域环境以及北极地区海域环境中被应用外, 在同为高纬度海域的南极海域也有相关的应用。2018年, Cowart等[31]利用eDNA技术对西南极半岛的底栖生物多样性进行检测, 结果发现大量常见底栖无脊椎动物、区域性分布的南极鱼类和帝王蟹, 同时发现帝王蟹有向温暖的陆架移动趋势。在地理环境和海洋环境复杂的高纬度海域, eDNA方法提高了对偏远水域中动物种群监测的灵敏度, 并且采集样本的方式更加便捷, 所花费的成本更低。

基于对上述研究现状的分析, eDNA方法在海洋环境中, 尤其是在监测海洋生物的工作中有许多明显的优势, 但也有一些明显的劣势。综合来讲, eDNA方法是一种环境友好性的生物监测方法, 对生态环境基本没有伤害, 在对珍稀物种进行检测时有着明显的优势, 此外该方法省时省力, 不用过分依赖专业的分类专家, 但需要建立完善的数据库, 结果相对客观, 灵敏度高, 成本低。但对比传统的海洋生物调查与监测方法, eDNA方法并不能得到监测物种发育时期以及性别比例等信息, 同时, eDNA样本之间容易出现交叉污染, 容易受到环境因素的影响。整体上讲, 在监测物种, 尤其是对珍稀物种的监测工作中, eDNA方法甚至可以完全替代传统的监测方法, 但在渔业资源调查领域, 尤其是需要做出生物量评估等工作时, 若使用eDNA方法还需要进行大量的深入研究工作。

2 环境DNA方法在北极地区鱼类多样性研究中的应用潜力与面对的挑战

2.1 环境DNA方法在北极地区鱼类多样性研究中的应用潜力

生物群落的状态是海洋生态环境以及一系列海洋问题的体现者, 因此若想从根本上了解一些北极地区的海洋科学问题, 有必要进行海洋生物多样性监测与研究。近几年来, 全球气候变化问题被广泛关注, 而北极地区也是对全球气候变化响应和反馈最敏感的地区之一, 生物多样性的研究工作就变得更加尤为突出。开展北极地区的生物多样性调查, 尤其是对鱼类多样性的调查, 掌握其资源分布现状及其对自然环境的响应变化, 有助于维护我国在北极的国家利益, 显示我国在北极地区的实质性存在。在海冰和气候等变化显著的背景下, 特别是太平洋扇区的白令海和楚科奇海的鱼类多样性及其对生态环境变化的响应, 不仅可以掌握我国传统考察区域鱼类多样性现状, 亦可以为北极渔业资源开发和保护策略制定提供科学依据, 对我国参与北极相关事务, 以及维护我国海洋权益有十分重要的现实和深远意义。

整体上讲, eDNA方法具有便捷、灵敏、对监测目标生物体无伤害等特性; 北极地区的海洋环境具有气候恶劣、地形复杂、水文环境复杂、对气候变化的敏感性强等特性。将eDNA方法的特性与北极地区海洋环境的特性相结合考虑, 那么eDNA方法在很大程度上具有应用于北极地区生物监测与生物多样性调查的潜力, 并具有较强的可行性。

1. 有一定的理论和应用基础

eDNA方法虽然是新生的水生生物监测方法, 但其在国内外的研究中已经有较多的应用, 并取得了一定的结果, 并提出了需要改进的方面和未来需要重点关注的问题。对于北极地区而言, Lacoursière-Roussel[30]等人利用eDNA方法在北极地区发现了非特定区域的海洋生物, 认为eDNA方法可以快速检测大尺度范围下的生物多样性情况, 证明了eDNA方法可以应用在北极海域, 并指出可以在暴露的和冰雪覆盖的环境下采集样本。

2. 关键技术方法可行且有效

北冰洋及其周边海域的地理环境复杂, 气候环境恶劣, 这些自然状况在某些情况下限制了科学资源调查工作的进行, 尤其是对需要采用底拖网进行的鱼类资源调查限制更大, 若利用eDNA方法可以相对地克服这一困难[1,32-33]。北极地区的某些海域中, 生物资源的样本并不能很好获得, 但eDNA方法可以从更微观的角度来获得生物样本。此外, 以传统的调查方式获得的生物资源样本需要花费较多的人力和物力去鉴别, 尤其对参与实验的人员所具有的专业技能(鉴定分类)要求较高, 调查的区域是北极地区, 采集回来的样品还时常不同于一般的常见品种, 通过形态鉴别品种较为困难, 而eDNA方法则不同, 只需要对进行采样的工作人员进行简单培训即可[1,34]。生物监测与多样性调查是一项长期性的工作, 监测的成本与效率、监测结果的有效性均非常重要, 与传统的调查方式相比较, eDNA方法在这几个方面均表现出了较为明显的优势。

以目前的DNA测序技术, 无论是进行单物种或多物种的鉴定均是可行的。DNA提取试剂盒与传统方法相结合的方式保证了环境样本中DNA的有效提取; DNA条形码、宏条形码、高通量测序等方法保证了样本中DNA检测的准确性; 相关的数据处理软件众多, 保证了实验结果的合理且有效的分析。以上的一系列过程与传统的实验方法相比, 高效且便捷, 在一定程度节省了人力物力。

3. 具有生态学优势

从自然介质中提取生物的DNA是eDNA方法的特点, 这一特点保证了在收集生物样本时, 生物本身以及相联系的生态环境不受到破坏, 虽然科学调查不同于捕捞生产, 但对于一些珍贵的稀有物种来讲, 一定的捕捞就会导致其群体结构发生变化, eDNA方法很好地解决了这一问题[35-36]。此外, 结合目前北极地区的海洋生物资源现状以及海洋生态环境特点来看, eDNA方法会更有利地监测北极地区的海洋生物以探究其生物多样性以及群落结构。

2.2 环境DNA方法在北极地区鱼类多样性研究中所面对的挑战

eDNA方法是先进的科学方法, 目前有些方面还尚未成熟, 各个环节上都有需要进一步解决和优化的问题。若想将eDNA方法有效地应用在北极地区的生物监测和生物多样性调查中, 以下几点问题是具有比较大的挑战性的。

1. 采样设计

不同于一般的海域环境, 北冰洋及其周边海域的海洋环境更为复杂, 地形复杂, 多种水体交换, 海冰覆盖与消融, 对气候变化敏感。从生物个体上脱落到环境中的DNA样本会随着海流移动, 同时, 不同时间(主要是季节的影响)与空间的水体环境会对DNA样本的运输和降解起不同的作用, 相关研究表明, 在北极生态系统中, 由于水的温度较低, eDNA的降解速度较慢, 但运输和扩散的速率会更高[26], 而其他水域环境则有自己的特点。在什么时间、什么区域、什么样的水体环境中以及什么样的水体深度中进行采样是一个较为困难的判断与设计的工作, 需要对调查区域的水文环境以及会影响采样的相关因素, 例如时间间隔的设定、不同采样深度的设定等均需要进行一定的了解与相关的量化。此外, 还需要注意采样过程中交叉污染的问题, 要严格对采样工具进行灭菌处理, 不同站点的样本需要隔离保存。

2. 检出率

虽然目前的分子生物技术较为先进, 但eDNA样本不同于其他DNA样本, eDNA样本的复杂性要高于一般的DNA样本, 因此如何设计引物, 将样本中存在的生物DNA更有效、更全面地提取出来是一个需要进一步优化的问题; 样品的保存方式也会影响DNA的检出率, 在北极地区采样, 样品的运输距离较长, 如何较好地保存样品, 使样品尽可能不受外界因素污染也是需要关注的问题。此外, DNA条形码、DNA宏条形码识别物种的能力、DNA序列库中资料的完整性也是检出率的保证。

3. 结果分析的准确性

北极地区的大气环境、水文环境、海冰消融情况随季节有着剧烈的变化, 从而导致了影响eDNA样本的不可控因素要比一般的水域环境中多, 在对结果进行分析时会出现一定的偏差。在分析结果时, 需如何根据实际情况挑选对结果造成较大偏差的因素, 例如污染与抑制作用导致DNA的假阴性与假阳性扩增, 水文环境所导致的时效性问题[28-31]等, 如何将这些影响显著的因素进行一定的量化或给出所造成偏差的范围是需要考虑的问题。

4. 结果的转化

在经过对eDNA样本的采取、提取、检测后, 需要根据研究目标对结果进行一定的量化分析, 当研究目标是分析北极地区鱼类多样性时, 需要将检测结果在时间和空间上进行一定的标准化后给出相关结果, 那么如何合理准确地量化所检测出的结果, 对多样性问题进行较为深入的分析与讨论是一个难点, 如何确定生物和非生物条件引起eDNA时空变化是需要首先考虑的问题, 这不仅能保证结果转化的准确性, 还能给予eDNA时效性一个合理的解释。

5. 相关生态学问题的考虑

eDNA样本并不是一个独立的个体, 它与所处的生态环境有着不可分割的联系, 尤其是在北极地区这种水文环境复杂、变化剧烈的生态环境下。因此, 若想更加全面和准确地研究北极地区的海洋生物多样性, 一些生态学方面的问题是必须要考虑的, 对于其中一些重要问题, 建议能给出一定的标准或参考范围, 能以相关参数的形式纳入到结果分析中。在利用eDNA方法研究北极地区生物多样性的问题时, 需要重点考虑的生态问题包括以下两点: 1)了解调查区域的生态类型及其特征, 北极地区包括的海洋区域广泛, 中心北冰洋和其周边海域的环境特征差异较大, 温度、盐度、pH值、水动力(潮汐、洋流等)均有所不同, 因此, 在进行调查采样时, 要对生态类型及其特征有一定的掌握, 不同生态环境条件下存在着不同的生物群落结构, 生物的多样性也有可能展现出较大的差异, 增加对eDNA生态学的了解对于如何利用eDNA方法提升生物多样性研究是非常重要的; 2)了解有机遗传物质与环境之间的交互效应, eDNA样本是与水域环境直接接触的, 没有屏障存在, 有机遗传物质会与水域环境发生一定的交互效应, 了解交互效应带来的影响可以减少检测结果与分析结果的误差。

6. 如何与传统的调查方法相结合

eDNA方法作为检测水生生物的新方法, 从采样到结果分析均存在不成熟和尚未明确的地方, 且北极海域海洋环境复杂, 不可控因素较多, 采用传统调查方法与eDNA方法相结合的方式对北极地区海洋生物多样性进行检测是未来的发展方向, 新老方法相结合, 结果相互补充会使北极海洋生物多样性的检测结果更为全面, 但如何将eDNA方法与传统调查方法有效结合也是我们需要面对的科学问题。综合北极地区生态环境特点与eDNA方法的特点, 以下两点是需要深入研究和探讨的问题: 1)充分了解调查区域的环境, 设计与传统站位相辅相成的采样站位; 2)量化重要的海洋环境因子, 在空间和时间上进行一定的标准化处理, 合理且有效地转化eDNA检测结果。

3 总结及展望

北极地区海洋生物多样性研究是当前国际上的研究热点, 主要是由于北极地区周边的部分海域在夏季会形成阶段性的开阔水域, 进一步了解海洋生物多样性可以进一步增加该海域未来可开发利用渔业资源的可能性, 同时北极地区以及周边海域受到气候变化的严重影响, 海洋生物的地理分布范围、种类的迁移、是否存在潜在的新种、哪些鱼类资源已经具有商业开发价值等问题均需要基于生物多样性的调查结果进行深入研究。但由于北极特殊的海洋环境, 连续性的作业较为困难, 采样的方法也存在局限性, 发展创新技术开展调查, 才能获取更多的海洋生物多样性信息。

本文综述了国内外eDNA的研究现状, 归纳了该方法的优点与缺点, 结合北极地区海洋生物多样性研究现状, 分析了eDNA方法在北极地区海洋生物多样性研究中的应用潜力以及可能面临的相关挑战, 认为在今后的研究中, eDNA可以作为重要的、新型的补充调查方法, 与传统调查方法相结合, 研究北极地区的海洋生物多样性, 通过长期监测来分析北极地区海洋生物的分布格局、迁移变化以及对环境和气候变化的响应。尤其是针对北极地区的渔业资源, 因为鱼类群落对气候的响应会显著影响整个生态系统的稳定性和多样性, 引起区域渔业资源的演变, 这一类的相关研究成果可以为渔业资源评估与管理工作提供相关信息, 为我国更多介入北极事务提供话语权, 并可积极有效维护我国在北极的长远利益和潜在权益, 提高我国在未来国际极地事务中的影响力和决策力。此外, eDNA作为监测水生生物多样性的新方法, 若应用到北极地区的海洋生物多样性研究中, 一方面可以为北极地区生物多样性的研究提供新的手段, 规避一些常规调查方法所带来的局限性; 另一方面也可以使eDNA方法的广泛适用性得到进一步发展。但在未来的应用中, 如何进行采样设计、如何与传统的调查方法有效结合以及如何在考虑生态系统的特征下将调查结果合理转化是需要严谨考虑和深入探究的问题。

1 REES H C, MADDISON B C, MIDDLEDITCH D J, et al. REVIEW: The detection of aquatic animal species using environmental DNA-a review of eDNA as a survey tool in ecology[J]. Journal of Applied Ecology, 2014, 51(5): 1450-1459.

2 BODIL B A, AMBROSE W G, BERGMANN M, et al. Diversity of the arctic deep-sea benthos[J]. Marine Biodiversity, 2011, 41(1): 87-107.

3 BLUHM B, GEBRUK A, GRADINGER R, et al. Arctic marine biodiversity: An update of species richness and examples of biodiversity change[J]. Oceanography, 2011, 24(3): 232-248.

4 HANSELL R I C, MALCOLM J R, WELCH H, et al. Atmospheric change and biodiversity in the arctic[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 1998, 49(2/3): 303-325.

5 WISZ M S, BROENNIMANN O, GRØNKJÆR P, et al. Arctic warming will promote Atlantic-Pacific fish interchange[J]. Nature Climate Change, 2015, 5(3): 261-265.

6 陈永俊, 林龙山, 廖运志, 等. 白令海和楚科奇海鱼类种类组成及其对生态环境变化的响应[J]. 海洋学报(中文版), 2013, 35(2): 113-125.

7 张然, 林龙山, 李渊, 等. 白令海鱼类分类多样性及鱼类区系研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2019, 49(4): 52-61.

8 OGRAM A, SAYLER G S, BARKAY T. The extraction and purification of microbial DNA from sediments[J]. Journal of Microbiological Methods, 1987, 7(2/3): 57-66.

9 OLSEN G J, LANE D J, GIOVANNONI S J, et al. Microbial ecology and evolution: A ribosomal RNA approach[J]. Annual Review of Microbiology, 1986, 40(1): 337-365.

10 PACE N R, STAHL D A, LANE D J, et al. The analysis of natural microbial populations by ribosomal RNA sequences[M]//Advances in Microbial Ecology. Boston, MA: Springer, 1986: 1-55.

11 FIERER N, JACKSON R B. The diversity and biogeography of soil bacterial communities[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103(3): 626-631.

12 JOHNSON S S, HEBSGAARD M B, CHRISTENSEN T R, et al. Ancient bacteria show evidence of DNA repair[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2007, 104(36): 14401-14405.

13 WILLERSLEV E, HANSEN A J, RØNN R, et al. Long-term persistence of bacterial DNA[J]. Current Biology, 2004, 14(1): R9-R10.

14 FISHER M M, TRIPLETT E W. Automated approach for ribosomal intergenic spacer analysis of microbial diversity and its application to freshwater bacterial communities[J].Appl Environ Microbiol, 1999, 65(10): 4630-4636.

15 VENTER J C, REMINGTON K, HEIDELBERG J F, et al. Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea[J]. Science, 2004, 304(5667): 66-74.

16 WILLERSLEV E, HANSEN A J, BINLADEN J, et al. Diverse plant and animal genetic records from Holocene and Pleistocene sediments[J].Science,2003,300(5620): 791-795.

17 FICETOLA G F, MIAUD C, POMPANON F, et al. Species detection using environmental DNA from water samples[J]. Biology letters, 2008, 4(4): 423-425.

18 LYDOLPH M C, JACOBSEN J, ARCTANDER P, et al. Beringian paleoecology inferred from permafrost-preserved fungal DNA[J]. Appl Environ Microbiol, 2005, 71(2): 1012-1017.

19 HEBERT P D N, GREGORY T R. The promise of DNA barcoding for taxonomy[J]. Systematic Biology, 2005, 54(5): 852-859.

20 PILLIOD D S, GOLDBERG C S, ARKLE R S, et al. Factors influencing detection of eDNA from a stream-dwelling amphibian[J]. Molecular Ecology Resources, 2014, 14(1): 109-116.

21 TAKAHARA T, MINAMOTO T, DOI H. Using environmental DNA to estimate the distribution of an invasive fish species in ponds[J]. PLoS One, 2013, 8(2): e56584.

22 吴昀晟, 唐永凯, 李建林, 等. 环境DNA在长江江豚监测中的应用[J]. 中国水产科学, 2019, 26(1): 124-132.

23 THOMSEN P F, KIELGAST J, IVERSEN L L, et al. Detection of a diverse marine fish fauna using environmental DNA from seawater samples[J]. PLoS One, 2012, 7(8): e41732.

24 FOOTE A D, THOMSEN P F, SVEEGAARD S, et al. Investigating the potential use of environmental DNA (eDNA) for genetic monitoring of marine mammals[J]. PLoS One, 2012, 7(8): e41781.

25 KELLY R P, PORT J A, YAMAHARA K M, et al. Using environmental DNA to census marine fishes in a large mesocosm[J]. PLoS One, 2014, 9(1): e86175.

26 KELLY R P, PORT J A, YAMAHARA K M, et al. Harnessing DNA to improve environmental management[J]. Science, 2014, 344(6191): 1455-1456.

27 THOMSEN P F, MØLLER P R, SIGSGAARD E E, et al. Environmental DNA from seawater samples correlate with trawl catches of subarctic, deepwater fishes[J]. PLoS One, 2016, 11(11): e0165252.

28 赵梦迪. 利用环境DNA分析冬季中国东黄海水域的鱼类多样性[D]. 上海: 上海海洋大学, 2017.

29 RODGERS T W, OLSON J R, KLOBUCAR S L, et al. Quantitative PCR assays for detection of five arctic fish species: Lota lota, Cottus cognatus, Salvelinus alpinus, Salvelinus malma, and Thymallus arcticus from environmental DNA[J]. Conservation Genetics Resources, 2018, 10(4): 859-865.

30 LACOURSIÈRE-ROUSSEL A, HOWLAND K, NORMANDEAU E, et al. eDNA metabarcoding as a new surveillance approach for coastal Arctic biodiversity[J]. Ecology and Evolution, 2018, 8(16): 7763-7777.

31 COWART D A, MURPHY K R, CHENG C C. Metagenomic sequencing of environmental DNA reveals marine faunal assemblages from the West Antarctic Peninsula[J]. Marine Genomics, 2018(37): 148-160.

32 单秀娟, 李苗, 王伟继. 环境DNA(eDNA)技术在水生生态系统中的应用研究进展[J].渔业科学进展,2018,39(3):23-29.

33 姜维, 赵虎, 邓捷, 等. 环境DNA分析技术——一种水生生物调查新方法[J]. 水生态学杂志, 2016, 37(5): 1-7.

34 DEINER K, WALSER J C, MÄCHLER E, et al. Choice of capture and extraction methods affect detection of freshwater biodiversity from environmental DNA[J]. Biological Conservation, 2015(183): 53-63.

35 TAKAHARA T, MINAMOTO T, DOI H. Effects of sample processing on the detection rate of environmental DNA from the Common Carp (Cyprinus carpio)[J]. Biological Conservation, 2015(183): 64-69.

36 THOMSEN P F, WILLERSLEV E. Environmental DNA – An emerging tool in conservation for monitoring past and present biodiversity[J]. Biological Conservation, 2015(183): 4-18.

POTENTIAL USE OF ENVIRONMENTAL DNA METHODS IN ARCTIC MARINE FISH DIVERSITY RESEARCH

Wang Rui1, Lin Longshan1, Li Hai1, Zhang Ran1,2, Li Yuan1

(1Laboratory of Marine Biology and Ecology, Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Xiamen 361005, China;2College of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen 361002, China)

With the development of biotechnology, environmental DNA (eDNA) methods have become widely used in aquatic biodiversity research. Compared with traditional methods, eDNA methods can quickly detect species composition without damaging the biological samples and have the advantages of high sensitivity, saving time and labor saving, and preserving sample integrity. However, they are currently less widely used in polar marine biodiversity research. This article reviews the current status of eDNA methods, analyzes the advantages and disadvantages, considers the current status of marine fish biodiversity research in the Arctic, and discusses the potential of using eDNA methods in Arctic marine fish biodiversity research and the related challenges.

environmental DNA, Arctic region, fish biodiversity, application potential

2020年3月收到来稿, 2020年8月收到修改稿

国家自然科学基金(NSFC41876176)资助

王芮, 女, 1992年生。博士, 主要从事极地海洋生物资源评估工作。E-mail: wangrui@tio.org.cn

林龙山, E-mail: linlsh@tio.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20200018