何舜平:eDNA采样器为生态监测领域提供了新的工具

不用撒网捕捞，只需要从水中采集一些DNA，就能分析出一片水域中存在哪些生物，这就是环境DNA（eDNA）监测技术。如果说，eDNA技术像“生物侦探”一样不断探索着大自然的秘密。那么，eDNA采样器则是助力“侦探”发现生物奥秘的最佳拍档。

2024年春天，中国科学院水生生物研究所何舜平研究员团队联合北京大学姚蒙副研究员在《中国科学：生命科学（SCIENCECHINA Life Sciences）》杂志上发表文章，当中提到了一款外形酷似“农药喷雾机”的最新eDNA采样设备，该设备经过东湖实证研究，检测到了隶属于16个科、36个属的共51种鱼类。这次研究不仅验证了eDNA技术在实际监测中的应用效果，也为生态监测领域提供了新的视角和工具。

eDNA实现“雁过有痕”

任何生物存在过后，都会留下专属的痕迹。只需从海中舀一杯水，从土壤中挖一抔土，从沉积物中分离一管淤泥等等，科学家们就能知道有哪些物种曾在附近出没，这得益于一种强大的工具——eDNA技术（环境DNA）。何舜平解释道，“这意味着我们不用找到生物本身就能检测到它的DNA。”

具体来说，eDNA就是指从环境样品（如空气、土壤、水体、沉积物等）中提取的所有不同生物的DNA，其来源广泛，包括生物体的体液、粪便、脱落的皮肤或毛发等。它的发展最早可以追溯至1987年，1990年出现了第一项使用这个技术的工作，研究人员使用eDNA分析了海水样品中的微生物DNA。2010年前后，随着eDNA宏条形码技术的发展，eDNA开始广泛应用到水生生物的监测中。

eDNA具有高灵敏度，能够检测到即使是极少量的DNA片段，从而揭示那些难以直接观察到的生物种类，如稀有或隐秘物种。为了让科研人员无需直接对生物体进行干扰就能实现有效的生物多样性监测，eDNA成为了最好的选择之一。

然而，要想充分发挥eDNA技术的优势，高效的采样方法同样不可或缺。回忆起以往的物种采样经历，何舜平感叹，“过去，eDNA的研究可谓步履维艰。我们通常需要从河中采集近一吨的水量运回实验室，再经过繁琐的过滤过程，才能对DNA进行测量。”此外，传统的物种鉴定需要仔细的肉眼观察、形态比对、经验判断等。稍有不慎，就会出错。

中国科学院水生生物研究所研究员何舜平。图源：受访者

攻坚克难：勇闯马里亚纳海沟

为打破传统生物监测技术的桎梏，何舜平带领科研团队研发出了最新的eDNA采样设备——Tri-Mode eDNA Sampler（三模式eDNA采样器），该设备从带回水、带回过滤器和带回数据这三个层次提高了自动化程度，不仅减少了现场人员的劳动负担，也降低了对操作人员的专业要求。他表示，“eDNA采样器目前在环境科学里面算是一个很基础的工具，作为未来环境评估的一个标准方式，它的需求也将日益增长。而我们的仪器，正是填补了这一领域的空白。”

这样一台自动化设备的诞生，还要追溯到何舜平勇闯马里亚纳海沟的经历。他回忆道，“2019年，我们跟随‘探索一号’科考船前往马里亚纳海沟，在‘奋斗者’号全海深载人潜水器的帮助下，我们得以潜入水下4000米的海山地区。当时的科考条件非常艰苦，我们在下潜时经常遇到巨浪和大风，一次下潜要在水里泡10个小时左右。”当然，高付出也意味着高回报，这次考察不仅让何舜平收集到大量珍贵的深海鱼类标本，更为他提供了探索全新物种采样方式的灵感。在深海里采样，最直接的采样方式就是拿桶把水装上来。而何舜平想到了另一个方式：直接在水下过滤！

照着这个思路，何舜平团队精心设计出一种带有过滤性能的带棒装置。这款设备外形酷似农药喷雾机，一端背负在背上，另一端则伸入水中。何舜平介绍道，“研究人员只需操作设备过滤一吨水，其中的DNA便会被吸附到一张膜上。我们只需将这张滤膜冷冻保存并运送回实验室，既方便，又不会影响DNA的完整性。”

更值得一提的是，这款设备还具备高度的灵活性和可扩展性。它可以轻松安装在无人船、无人机等平台上，每换一个环境，就能进行一次采样。这样，科研团队能够用更小的体积采到更多的环境DNA，极大地提高了采样的灵活性和效率。

三模式eDNA采样器。图源：中国科学院水生生物研究所

宏伟蓝图：万种鱼基因组计划

尽管现在的eDNA检测技术相比过去已经有了很大的改善，但在检测生物多样性方面还是存在很多问题。一方面，一些物种的基因组里有很多的重复序列和特异结构，往往比较难检测。特别是像蚌壳、螺蛳、牡蛎等水生无脊椎动物，其基因组的复杂性往往需要我们投入大量精力去攻克。

此外，参考数据库不全面、专业化程度低的问题也成为eDNA发展的主要瓶颈。为了建立一个涵盖世界各地鱼类的所有目和代表性科的鱼类基因组数据库。2019年，数字化地球研究所-海洋研究中心联合中国科学院水生生物研究所等五家科研机构共同发起了万种鱼基因组计划（简称Fish10K）。

Fish10K计划历时10年，分三个阶段，采集一万种左右的代表性鱼类。何舜平表示，目前已经差不多完成了十分之一的目标，3000多种原生动物的基因组和遗传数据已经上传。

三模式eDNA采样器及其三种工作模式。图源：受访者

另一方面，何舜平团队与多个团队联合建设的水生生物eDNA数据库（AeDNA），旨在实现水生生物的调查、监测、追溯和预警的综合能力。他介绍道，“水生生物环境DNA数据库包括60万条条形码序列和6199份基因组序列，是目前水生生物领域全球数据量最大，群类覆盖最全，准确性最高的数据库之一。”

何舜平，博士，中国科学院水生生物研究所研究员，博士生导师，现任中国科学院水生生物多样性与保护重点实验室主任、鱼类系统发育与生物地理学学科组责任研究员。兼任中国动物学会理事，湖北省暨武汉动物学会理事长。长期从事鱼类系统发育、生物地理学、比较基因组学、生物信息学等方面的研究，并在鱼类系统发育等方面取得了多项研究进展。他带领研究团队运用生物技术、网络和数字化技术相结合的手段，提出了鲤科鱼类系统发育新的模式，保持了对鲤形目鱼类系统学研究在世界上的主导地位；基于多组学深入探究了青藏高原和7千米以下深海等极端生境下的鱼类的遗传基础；对脊椎动物从水生向陆生转变进行了深入研究。先后主持和承担了欧盟项目、国家自然科学重点基金、国家杰出青年基金、国家863项目和973专题等重要课题。主导提出“万种鱼基因组计划（Fish 10K)”。在Cell、Nature、Nature Ecology & Evolution、Molecular Biology and Evolution等国际著名期刊发表论文280余篇。

参考资料：

“农药喷雾机”还能捕捉鱼踪？这台eDNA采样器不简单.封面新闻，2024年4月19日