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eDNA技术或使PCR和DNA测序仪成环境监测必用设备

发布日期:2019-10-07

   作为一门应用学科,环境监测领域一直不断吸收、引进其它领域的新成果,而随着环境DNA(eDNA)技术不断发展,用于基因鉴定的PCR和DNA测序仪未来可能不仅用于环境科研领域,更将在环境监测常规任务中大 显身手!

  中国环境监测总站与南京大学近日在南京联合举办了首届“环境DNA与生态健康评估”学术研讨会,与会专家以“推动eDNA技术在我国环境监测领域的应用与发展”为主题展开了深入研讨!会上各位专家分别从eDNA技术的成熟度、标准化以及建立生态健康评估指标等方面交流看法,并初步成立了专家委员会,致力于后续eDNA技术的研究应用工作,为我国水生生物的有效监测和水环境的科学管理提供新的思路和方法。

  上世纪80年代,eDNA的概念被首次提出,用于研究陆地动物食性或淡水环境中的微生物组成等。eDNA的环境样品是一个非常宽松的概念,可以包括土壤、沉积物、排泄物、空气、水体,甚至生物个体本身(如马氏网捕获的昆虫)。动物在某个环境中生活,身上的各种痕迹会携带着自身DNA掉落到四周。在一份环境样品中,可包含的DNA片段能达到上千万个,而每一个物种能携带的DNA又是独一无二的。将从样品中获得的遗传标记序列与DNA数据库中的序列相比对,就像是在通讯录里找到相应的电话号码,从而确认分析的DNA来自什么物种。

  目前eDNA技术主要用于环境生物多样性调查和特定生物调查。

  对环境的生物多样性调查,方法是检测环境样品中尽可能多的DNA序列,与数据库比对分析它们所属的物种分类信息,最终鉴定在这个环境中生活的所有物种,这个方法又被称为DNA宏条形码。在样品处理上,DNA宏条形码使用普通的PCR或直接霰弹枪法(shotgun strategy)测序,这两个实验方法都比较成熟,能够方便获得多个DNA序列。

  特定生物调查,目标是寻找在环境样本中是否有单一物种的DNA存在,通常用于研究和追踪珍稀物种在自然界的分布。它与第一类DNA宏条形码的区别在于它并不在意环境中属于其它物种的DNA,因此在样品处理上通常使用更精确的定量PCR(qPCR)技术,目标是找到极其少量的目标物种的DNA。

  2018年4月12日,美国华盛顿州立大学助理教授Caren Goldberg通过检测环境DNA(eDNA),确证了全球第四只斑鳖的存在。2018年,首届海洋环境DNA会议在美国洛克菲勒大学举行,会议指出对渔业、濒危物种进行监控时,应该让海水中的环境DNA“物尽其用”。

  eDNA技术在环境生物多样性调查中有多种优势。以水体为例,以前水体中生物多样性调查多采用垂钓、拖网、潜水等方法,如果靠传统捕捞手段,研究者在同一海域能捕获到约20种不同的鱼类;但用环境DNA,在同一水域中则可以有100多个物种被检测出来。而且跟拖动笨重的渔网相比,舀一杯水会轻快得多。之前,测定DNA不仅费用昂贵,而且需要的时间较长。随着基因测序技术的发展,弄清环境中有哪些生物的DNA不像先前一般昂贵,而且效率越来越高。

  但eDNA技术若要真正发挥实力,还需要一些工作,如是否能成功提取出所有目标生物的DNA,测序结果能否从DNA数据库的序列中找到参照。在不同的环境中,生物掉落的DNA可能随着水流、温度、酸碱性等因素,在较短的时间内稀释、降解,从而给提取出所需要的物种DNA带来难度。

  生物的整个DNA携带的信息量非常庞大,只要选取其中一段就可以判定物种种类,但具体选择哪一段基因需要好好考量。比如COI基因作为使用最广泛的标准条形码基因,有当前最丰富的参考序列数据库,对于物种的鉴定特异性较高,但是可能不足以涵盖高度的多样性。

  另一方面,若DNA数据库没有全面、高质量的序列储备,即便从海洋中提取出环境DNA,也只能是“巧妇难为无米之炊”。有时我们将检测结果与数据库相对比,得出的结果是“未知”,但答案真的是未知吗?或许传统的物种鉴定学家应该和环境DNA的研究者一起工作,DNA数据库需要扩充。

  不论如何,环境DNA研究受到了越来越多的关注,近两年环境DNA相关的研究人员和研究课题都明显变多。不过,这项技术能否成为未来的主流,还需要更多的时间和经费去验证。

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