基因组学技术在生物多样性保护研究应用中面临的挑战及应对策略

2024-04-13李律瑄李招应

中阿科技论坛(中英文) 2024年1期

李律瑄李招应

（1.西北农林科技大学生命科学学院,陕西咸阳 712100；2.厦门海洋职业技术学院航海学院,福建厦门 361012）

生物多样性是地球上生命系统的重要组成部分，是维持生态平衡的基础，然而近年来受气候变化、大气污染等因素影响，全球物种灭绝速度加快，这对人类生存和发展提出重大挑战。基因组学技术作为分析基因功能的强大工具，已经在物种鉴定、保护和遗传多样性评估等方面得到广泛应用，因此对基因组学技术在生物多样性保护进行研究有着重要的现实意义。

1 基因组学技术相关概述

基因组学技术在生物多样性保护研究中发挥着至关重要的作用，可以帮助研究人员更好地理解生物种群的遗传结构、遗传变异情况及对环境的适应能力。基因组学技术包括基因组测序技术、基因注释和变异检测技术等，其中基因组测序技术是基因组学研究的核心工具之一[1]。

1.1 基因组测序技术

1.1.1 Illumina测序技术

Illumina测序技术是目前最为常用的高通量测序技术之一，该技术以高通量、高准确度和较低的成本进行基因组测序，被广泛运用于生物多样性保护研究中。相关研究人员可利用Illumina测序技术对濒危物种的基因组进行全面测序，揭示出其基因组的结构和变异情况。例如，在濒危物种繁殖系统的研究中，利用Illumina测序技术揭示了个体间的基因型差异和遗传多样性，为物种的保护和繁殖计划提供了重要的数据支持。另外，利用Illumina测序技术还可以进行全基因组关联分析，以明晰特定基因和物种适应性之间的关联，为进化生物学和自然选择研究提供了信息。

1.1.2 PacBio测序技术

PacBio测序技术因其长读长优势备受关注，其所产生的长读长序列能够突破Illumina测序技术在重复序列和结构变异检测上的局限性。在生物多样性保护研究中，PacBio测序技术应用卓有成效。例如，通过PacBio测序技术，科学家能够更准确地鉴定出濒危物种中的高度变异基因（如MHC类基因），从而帮助物种的遗传多样性和免疫适应力研究。此外，PacBio测序技术还被应用于古代DNA研究中，比如研究近百年前灭绝的物种基因组，该技术能够提供足够的读长以重建古代DNA序列，帮助揭示物种的演化历史和遗传结构。因此，PacBio测序技术在生物多样性保护研究中的作用日益突显。

1.1.3 Sanger测序技术

Sanger测序技术虽在通量和成本上不及Illumina和PacBio测序技术，但Sanger测序技术因测序准确度上的优势在生物多样性保护研究中发挥着重要作用。例如，在一些对罕见物种和古代DNA的研究中，Sanger测序技术被广泛应用，其稳定的测序准确度和较长的读长使得该技术在单体型物种的基因组测序和物种间的亲缘关系研究中具有较大的应用价值。此外，Sanger测序技术还可以作为验证其他高通量测序技术数据的工具，帮助提高数据的准确性和可信度。

1.2 基因注释和变异检测技术

1.2.1 Ensembl Genesys

Ensembl Genesys是一个开放获取的基因组注释数据库，提供了丰富的生物信息数据和分析工具，助力研究人员对基因组进行注释和分析。在生物多样性保护研究中，Ensembl Genesys的应用非常广泛。研究人员可以利用Ensembl Genesys数据库进行物种的全基因组注释，包括基因的定位、结构和功能等信息，从而更好地理解物种的遗传特征。研究人员还可利用Ensembl Genesys数据库基因家族进行比较和分析，揭示不同物种之间的遗传关系和进化进程。此外，Ensembl Genesys还可以为物种的种群遗传学研究提供重要的基因型和表型数据，帮助科学家更好地评估物种的遗传多样性和基因流动性，为保护濒危物种提供科学依据。

1.2.2 GATK变异检测工具

GATK（Genome Analysis Toolkit）是一款二代重测序数据分析软件，是基因分析的工具集，主要用于去除重复序列、重新校正碱基质量值、变异检查等。在生物多样性保护研究中，GATK变异检测工具的应用也较广。研究人员可利用GATK对濒危物种或相关物种的基因组数据进行突变和单核苷酸多态性（SNP）的检测与分析，有助于识别物种间遗传变异的差异，并帮助鉴定出与特定生态适应性和遗传特征相关的基因。此外，GATK还可以用于分析基因组中的结构变异和拷贝数变异，可为理解物种的遗传多样性和适应性提供重要信息。

2 基因组学在生物多样性保护中的应用

2.1 在种群遗传学研究中的应用

种群遗传学是研究物种内部遗传变异和种群间基因流等现象的学科，而基因组学技术的应用为种群遗传学研究提供了全新的视角和丰富的数据支持。遗传多样性对物种适应性的影响、群体遗传结构分析、种群大小和基因流的研究是基因组学在种群遗传学研究中的核心内容[2]。

2.1.1 遗传多样性对物种适应性的影响

在种群遗传学研究中，基因组学的一个重要应用是研究遗传多样性对物种适应性的影响，通过比较不同种群之间的基因组变异，研究者可以发现哪些基因与适应特定环境有关。这些基因的变异有助于个体更好地应对环境压力，从而提高物种的生存能力。例如，研究发现非洲象的基因组中存在一些与抗癌能力和抗菌能力有关的基因，了解这些基因的变异和作用机制，可以帮助保护非洲象及其生态系统，提高非洲象个体和种群的生存能力。

2.1.2 群体遗传结构分析

群体遗传结构分析是基因组学在种群遗传学研究中的重要应用之一。通过对物种不同个体的基因组数据进行分析，可以掌握不同种群之间的遗传差异和联系，帮助人们理解物种的分化和演化历史。例如，通过对袋鼠种群进行全基因组测序和个体基因组分析，总结这些袋鼠种群之间的遗传差异，为生态保护提供了重要的数据支持。

2.1.3 种群大小和基因流的研究

种群大小和基因流是种群遗传学研究的重要内容，也是基因组学技术在生物多样性保护中的关键应用。例如，在对考拉种群进行研究时，利用全基因组测序技术可以帮助科学家了解其种群大小变化和基因交流情况，有助于野生动物管理和种群保护。

2.2 在物种鉴定和保护中的应用

基因组学技术为物种的鉴定、遗传多样性评估和种群遗传结构分析提供了有效的工具和方法。条形码技术在DNA序列的应用、分子标记的应用及种群的遗传多样性评估等方面都是基因组学在物种鉴定和保护中的重要应用。

2.2.1 条形码技术在DNA序列的应用

DNA条形码技术是一种利用特定DNA区段的序列信息对物种进行鉴定的方法。通过对不同物种的DNA条形码进行测序和分析，可以快速、准确地鉴定物种身份，尤其对于难以区分的物种或物种复合体具有重要作用。例如，在蝴蝶种类研究中，科学家利用DNA条形码技术对不同的蝴蝶种类进行了快速鉴定，帮助他们更好地了解蝴蝶物种的多样性和分布情况。这项工作为相关生态环境的保护和管理提供了重要的数据支持，也为DNA条形码技术在生物多样性保护和物种鉴定中的应用提供了典型案例。

2.2.2 分子标记的应用

分子标记是基因组学技术中常用的方法，包括微卫星标记（SSR）和单核苷酸多态性（SNP），常用于物种的遗传结构分析、种群遗传多样性评估及亲缘关系的研究[3]。例如，对缅甸星龟的保护研究中，科学家用微卫星标记对遗传多样性评估和亲缘关系进行研究，总结出野外种群之间的遗传差异和基因流情况，为该物种的保护提供了科学依据。这显示了分子标记在生物多样性保护中的重要作用。

2.2.3 种群的遗传多样性评估

种群的遗传多样性评估是生物多样性保护工作中不可或缺的一环，能够为物种的遗传健康和适应力评估提供重要依据。利用基因组学技术进行种群的遗传多样性评估可以帮助人们了解物种内部的遗传结构、物种间的遗传关系及环境对遗传多样性的影响等。例如，在考察马来亚虎的遗传多样性时，DNA条形码和微卫星标记等技术被广泛应用，从中得到了该物种种群结构和亲缘关系等重要信息，为物种的保护和管理提供了科学依据。

2.3 在克隆和保护濒危物种中的应用

基因组学技术为濒危物种的克隆和保护提供了重要工具和方法。基因编辑和改良、人工辅助繁殖技术、种群监测和保护计划的制定等方面都是基因组学在濒危物种保护中的关键应用[4]。

2.3.1 基因编辑和改良

基因编辑技术如CRISPR-Cas9在濒危物种保护中具有重要作用。通过基因编辑技术，研究人员能够对濒危物种的基因组进行针对性修改，如增加特定的基因，修复致命突变，提高物种的抗病能力等。例如，基因组学技术在黑角岩羚羊的保护中，科学家利用基因编辑技术对该濒危物种的免疫基因进行改良，增强了其对某种特定疾病的抵抗力，从而帮助整个种群更好地适应野外环境。这表明了基因编辑技术在濒危物种保护中有着较大的应用价值。

2.3.2 人工辅助繁殖技术

人工繁殖技术在濒危物种的保护中发挥着至关重要的作用。基因组学技术为人工繁殖提供了重要的支持，例如通过基因组学技术对濒危物种进行人工生殖辅助技术，帮助提高繁殖成功率、降低遗传缺陷等。例如，在华南虎保护项目中，科学家运用基因组学技术，利用人工生殖技术成功培育出了新的华南虎种群，有效增加了这一濒危物种的种群数量，为其保护带来了新的希望。

2.3.3 种群监测和保护计划的制定

基因组学技术也被广泛应用于种群监测和保护计划的制定中。通过对濒危物种种群的基因组数据进行监测和分析，研究人员能够更准确地评估物种种群的遗传健康状况和遗传多样性水平。例如，在野生犀牛保护项目中，利用基因组学技术对野生犀牛的种群进行了遗传监测和分析，为制定更科学的保护计划提供了重要的数据支持。这些数据也有助于管理者更好地制定保护策略，以提高濒危物种的种群健康状况和生存成功率。

2.4 在生态系统功能和稳定性研究中的应用

基因组学技术在生态系统功能和稳定性研究中的应用涉及一系列新兴技术和概念，如生态系统监测环境DNA应用、生态系统的基因组学研究及基因组学技术与生态系统保护的结合。这些技术的应用推动了我们对生态系统的理解，同时为生物多样性保护提供了新的方式和手段[5]。

2.4.1 生态系统监测环境DNA应用

环境DNA（eDNA）技术是指从环境中提取DNA样本来研究生物多样性的方法。通过收集水体、土壤或空气等环境样品中的DNA，分析该DNA中所包含的生物信息，包括物种种类、物种数量和分布情况。例如，通过分析水体中的eDNA，可以非侵入性地监测河流或湖泊中的鱼类物种，甚至是濒危物种。这项技术应用有助于更全面地了解生态系统中的物种组成及其动态变化，为生态系统的保护和管理提供了新的工具。

2.4.2 生态系统的基因组学研究

基因组学应用到生态系统的研究中，可以了解生态系统内各个成员之间的相互作用、代谢路径和能量流。通过对某一生态系统中各个微生物、植物和动物的基因组信息进行分析，可以帮助人们更好地理解这些生物体的功能和互动关系。具体来说，通过对微生物群落的基因组学研究，能使人们明晰微生物在土壤中的作用，为土壤的保护和生态系统的可持续发展提供科学依据。

2.4.3 基因组学技术与生态系统保护的结合

基因组学技术与生态系统保护的结合不仅能帮助人们了解生态系统的功能和稳定性，还为生物多样性保护提供了新的途径。例如，考虑到气候变化对生态系统影响，可以利用遗传数据来评估物种对环境变化的应对能力，从而制定有效的保护策略。另外，还可以利用基因组学技术对受威胁的物种进行遗传监测和种群遗传结构分析，以制定针对性的保护计划。综合利用基因组学技术和生态学方法，可以更全面地维持生态系统的完整性和稳定性。

3 基因组学技术在生物多样性保护应用中面临的挑战

3.1 数据整合和标准化欠缺

3.1.1 数据整合的困难

基因组学技术在生物多样性保护中的应用中，数据整合是一个较大挑战。由于不同研究团队使用不同的基因组测序技术、软件分析工具和数据库，产生的数据格式和标准各异，难以进行整合和共享。这不仅增加了数据管理的难度，还可能导致重复研究、资源浪费和信息冗余。

3.1.2 标准化的需求和问题

为了解决数据整合和共享的问题，基因组学领域已经提出了如FASTA、FASTQ、GFF等标准，但这些标准仍然存在一些问题。例如，部分标准过于复杂，难以在实际应用中推广；一些标准的应用范围有限，无法满足不同物种基因组学研究的需要；部分标准的应用存在争议，需要在实践中不断改进和完善。因此，基因组学技术在生物多样性保护中的应用需要更多的标准化研究和推广，以确保数据的规范化和可互操作性。

3.2 生物多样性的基因组学解读缺乏深度

3.2.1 基因组学技术在物种鉴定和分类中的局限性

虽然基因组学技术提供了大量关于生物多样性的数据，但物种鉴定和分类无法仅凭基因组数据解决，物种的准确分类和进化关系需要结合形态学、生物化学、生态学等多方面的信息进行综合判断。此外，不同物种的基因组结构、遗传变异和生态环境等方面的差异也会影响基因组学技术的应用效果，这使得基因组学在物种鉴定和分类中的应用具有一定的局限性。

3.2.2 基因组学技术在种群遗传学研究中的限制

种群遗传学研究是生物多样性保护中的重要环节，通过研究种群的遗传结构、遗传多样性、基因流和进化趋势等信息，可以为保护策略的制定提供科学依据。然而，基因组学技术在种群遗传学研究中的应用仍受到一定限制。在实际应用中，这些数据会受到如生态环境的变化、遗传漂变、选择和迁移等因素影响。此外，如何从大量基因组数据中提取出有用的信息，并将其应用于种群遗传学研究中，也是一个挑战。

3.3 基因组学技术的经济性和可及性有待提高

3.3.1 高通量测序技术的经济性

基因组学技术，如高通量测序，虽然已经取得较大进步，但其成本仍然是一个问题。对于许多发展中国家和资源有限的实验室来说，高昂的测序费用限制了其应用范围。此外，随着技术的不断更新换代，测序成本进一步增加，阻碍了基因组学在生物多样性保护中的应用。

3.3.2 基因组学技术对设备和专业人员的依赖性

基因组学技术需要高级的设备和专业知识来操作和维护。这不仅需要投入大量的资金，还需要具备专业技能的实验室人员来操作和维护这些设备。这对于许多实验室尤其是对于那些资源有限或缺乏专业人员的实验室来说是一个挑战。此外，基因组学技术的应用也需要大量的数据分析和解读，需要专业的生物信息学人员来进行。因此，基因组学技术的经济性和可及性有待提高。

4 基因组学技术在生物多样性保护应用中的优化建议

4.1 建立全球性的生物多样性基因组数据库

4.1.1 完善数据共享和标准化

为了确保基因组数据的可靠性和安全性，需要建立完善的数据共享机制，包括制定统一的数据标准和规范，以保证数据的质量。同时，通过搭建统一平台，加强国际合作，促进各国之间的数据交流与协作，从而提高数据库的完整性和权威性，使得各类研究机构和个人能够方便地获取和分享基因组数据。

4.1.2 加强数据库的组织和管理

为了保证生物多样性基因组数据库的实用性和高效性，需要加强数据库的组织和管理，根据物种的分类体系和分布特征，对基因组数据进行系统整理和归类，加强对数据库的更新和维护，确保数据的实时性和准确性，建立便捷的检索系统，使用户可以快速找到所需数据。同时，加强对数据库的安全保障，防止数据泄露和滥用，确保数据库的安全运行。

4.2 加强基因组学与其他保护策略的整合

4.2.1 基因组学与传统保护策略的结合

传统的生物多样性保护策略包括保护区划定、野生动植物物种监测和管理等，基因组学技术可以为其提供有力的支持。基因组学可以用于物种鉴定和界定，更准确快速地提供结果，基因组学技术可以揭示物种的遗传多样性和种群结构，帮助评估物种的遗传健康状况，及时发现潜在的遗传问题并采取相应的措施，为制定保护策略提供重要参考。因此，将基因组学技术与传统的保护策略相结合，有助于提高生物多样性保护工作的精确性和有效性。

4.2.2 基因组学在保护区规划和管理中的应用

基因组学技术可以帮助人们快速准确评估保护区内的濒危物种多样性和遗传多样性，分析物种的适应能力和抗逆性，为保护区的生态恢复和管理提供重要参考。因此，在保护区规划和管理中加强基因组学技术的应用，对于保护区的可持续发展和生物多样性的长期维护具有重要意义。

4.3 提升基因组学技术的研发和应用能力

4.3.1 技术的持续改进和创新

基因组学技术在生物多样性保护中有着巨大潜力，但仍面临一些技术方面的挑战。因此，需要不断改进和创新基因组学技术，以提高这项技术的灵敏度、准确性和效率，可以通过开发新的高通量测序技术，不断优化数据分析和处理的方法，以准确地解读和利用基因组数据，提高基因组测序的速度和质量。同时，结合新兴的人工智能和机器学习等技术，可以提高对基因组数据的挖掘能力，发现更多有关生物多样性的信息，通过持续地改进和创新基因组学技术，不断提高其在生物多样性保护应用中的效能。

4.3.2 提高技术的可及性和成本效益性

为了使基因组学技术广泛应用于生物多样性保护工作中，需要推动技术的普及和培训，为更多的研究者和从业人员提供使用基因组学技术的培训机会，从而扩大技术的应用范围，促进相关知识的共享和传播。同时，通过提供更便宜的测序设备、试剂和相关设备，鼓励更多的研究机构和保护组织使用基因组学技术，积极探索和发展更经济高效的技术方法，以降低数据分析和处理的成本。通过提高技术的可及性和成本效益性，使更多的人能够应用基因组学技术，进一步推动生物多样性保护工作的开展。