仅使用水样评估生物多样性

叙尔特岛外礁的海洋保护区具有北海标准的异常高的生物多样性水平：坚硬基质区域与砾石和粗沙区域交替出现，点缀着平坦的沙洲。这些石头为褶边海葵、贻贝、苔藓虫和海绵等丰富多彩的珊瑚礁生物群落提供了坚实的基础，而沙洲则是各种海蛇尾和蠕虫的家园。许多鱼类在这些水域繁衍生息，其中包括鳕鱼、西鲱和鲱鱼，以及比目鱼和稀有的欧洲七鳃鳗。这种丰富的食物供应反过来又吸引了海豚和海豹等海洋哺乳动物。

到目前为止，评估叙尔特岛外礁等海洋保护区的生物多样性对于环境研究人员来说是一个非常费力的过程：他们撒下各种网眼大小的网来捕捉不同大小的海洋物种;使用箱式取样器从海底提取样本，使用水下相机拍摄海底照片和视频。

但是还有其他方法可以解决这个问题：“我们所需要的只是水样，”生物学家SilkeLaakmann博士说。研究人员和她的团队利用了这样一个事实，即高度稀释的生物碎片集合只是漂浮在海中：细胞残余物、粘液、鳞片、毛发、粪便和腐烂生物的残骸。不管这听起来多么令人倒胃口，但如果正确分析这些碎片所含的遗传物质，可以提供对海洋生物多样性的惊人见解。这种材料的官方术语是环境DNA，简称eDNA。

如何仅使用水样来评估生物多样性

在奥尔登堡大学的亥姆霍兹功能性海洋生物多样性研究所(HIFMB)，Laakmann正在努力实现仅使用水样即可对海洋生物多样性水平进行可靠评估的主要目标.HIFMB成立于2017年，是奥尔登堡大学与阿尔弗雷德韦格纳研究所亥姆霍兹极地和海洋研究中心的合作项目。“我们研究eDNA结果是否与现实相符——换句话说，我们是否真的登记了给定区域中存在的尽可能多的生物，”自2018年以来一直在HIFMB负责FocusGroup海洋分子生态学研究的研究人员说.两个这样的焦点小组目前设在该研究所。它们是一种工具，可以为有前途的职业中期科学家提供有针对性的资金，同时巩固HIFMB的高度创新研究领域。

Laakmann和她的五人团队工作的核心程序也非常流行。近年来，eDNA分析已成为环境科学中一个强大的新工具。该方法具有巨大的潜力，因为它可以一次性分析整个群落，无论其规模有多大，并提供对生物多样性的各种新见解。与传统的海洋生物采样方法相比，它还减少了对环境的影响——这一优势在海洋保护区尤为重要。

在由奥尔登堡生物多样性专家和HIFMB主任HelmutHillebrand博士教授领导的合作CREATE项目中，eDNA在分析海洋保护区的生物多样性以及它们之间的联系方面发挥着核心作用。欧洲牡蛎是该项目的重点品种。“一个关键问题是来自BorkumReefGround保护区的牡蛎幼虫是否会随着水流移动到以前未被恢复的其他海洋区域，”Laakmann解释说。作为该项目的一部分，该项目由联邦教育和研究部在德国海洋研究联盟的框架内资助，生物学家和她的团队目前正在为北海编制一个eDNA档案，旨在记录生物多样性的现状以及未来环境变化的影响。

从显微镜到基因

Laakmann团队的研究人员在过去四年中一直为此奠定基础：“最近，生物多样性研究发生了转变，从你可能称之为物种识别的经典形态学方法到分子方法，”研究人员解释说.换句话说，从显微镜到基因。她自己的训练是从传统方法开始的。“在不来梅大学攻读博士学位期间，以及在威廉港米尔米尔(SenckenbergamMeer)研究中心做博士后期间，我花了很多时间在分选实验室，根据它们的外部形态在显微镜下识别生物，”她回忆道.她的专长是浮游动物——在海洋中随水流漂流的水生生物——尤其是一群叫做桡足类的小型甲壳类动物。

为了将新的遗传方法建立为环境监测的常规过程，目前正在进行与传统方法的比较。Laakmann和她的团队主要关注北海和波罗的海的浮游动物，但也分析来自巴塔哥尼亚、北极和南非的材料。他们已经收集了3,000多个样本，这些样本将被保存起来供HIFMB进一步研究。

为了全面了解生物多样性水平，科学家们通常使用三种不同的方法。他们仍然使用细长的网以传统方式收集浮游生物。这通常会在船上带来一团褐色、片状的海洋生物，其大小从针头到几毫米不等。“然后将这些样本分成两半，”拉克曼说。一半用于她和她的团队在显微镜下进行常规鉴定或与AWI的同事AstridCornils博士进行半自动成像分析。另一半被均质化，然后进行基因分析。第三种方法是eDNA分析，即从不同深度的水样中提取遗传物质。

用于物种鉴定的分子生物学方法在某种程度上类似于COVID测试实验室中用于PCR测试的方法，其中基因的特征区域被放大并测序以进行分析。

在海上(这里是北海的Heincke研究船)，该团队收集了含有环境DNA的水样。图片来源：HIFMB|KingslyChuoBeng

环境科学主要集中在一个名为COI(细胞色素c氧化酶亚基I)的基因片段上。“这种特殊基因片段的序列在每个动物物种中都是独一无二的，”Laakmann解释说。在庞大的数据库中，来自各种国际倡议的研究人员使用其COI基因的遗传密码对物种进行了清点。就像超市里的产品通过包装上的条形码来识别一样，在数据库中注册的每种动物物种都可以通过其遗传密码来识别。作为博士作为一名学生和博士后，Laakmann帮助扩大了众多物种的生命库，其中包括生活在水中和北海海底的生物，以及来自北极、南极和深海的桡足类动物。

“我认为与我研究的生物建立联系很重要。”

当并行分析环境样本中的大量遗传物质时——这一过程会产生数千种不同的DNA序列——这被称为“元条形码”。“在我们的样本中，我们有来自各种生物的数百万个这样的基因片段。在测序后，我们将基因序列与数据库条目进行比较，因此最终我们有一个物种或群体的列表，”Laakmann解释道。

在过去的四年中，研究人员开发了一种特殊的工具包来处理eDNA。“我们对以下问题很感兴趣：为了在一个地区捕获尽可能多的物种，我们需要多少水?我们需要多久采集一次样本?过滤器应该是什么样的?我们应该使用什么数据库?“生物学家指出。该团队还研究了阈值和计算算法。Laakmann对结果感到满意：“我们现在知道eDNA元条形码确实能够识别生活在北海的所有各种无脊椎动物和鱼类。现在我们非常清楚如何最好地将这种方法应用于不同的问题。“

她说，为了检查特定物种是否存在于大型海洋保护区，如BorkumReefGround或SyltOuterReef，从几个不同的地方采集水样可能是有意义的。在对底栖生物的研究中，研究人员正在与AWI的一个团队合作，该团队在海洋保护区进行长期观察。在这里，他们将DNA分析与沉积物样本和水下照片结合起来。另一方面，在特别动态的海洋区域，可能需要连续几天在同一地点反复采集水样，以记录存在的所有物种。

Laakmann强调了不要仅仅依赖遗传方法的重要性，即使在未来也是如此。“我想使用综合方法，这意味着结合传统方法和新方法。这提供了两全其美的方法。”作为一名海洋生物学家，她不想错过在显微镜下识别微小的片脚类动物、水母和负鼠虾的机会。“我认为这很重要，这样我就可以与我研究的生物体建立联系，”她强调说——如果她只研究抽象基因序列，这个因素将不存在。

此外，解释eDNA元条形码结果通常并不完全简单。因此，Laakmann控制所有物种列表以检查结果是否有意义。例如，如果一种浮游动物意外出现在列表中，研究人员可能需要检查数据库条目的可信度。“在一个案例中，我们发现数据中的一个奇怪模式是由使用传统方法的错误识别引起的，”她解释道。

事实上，像鸡、牛、野猪或老鼠这样的陆生动物不断出现在物种列表中更令人好奇。“有时我们甚至可以找出原因，”Laakmann补充道。她解释说，鸡和牛等养殖动物的遗传物质可能进入河流，生活在河口的野猪的沉积物也是如此。压载水是外来DNA的另一个潜在来源：“但是老鼠仍然是个谜，”这位生物学家笑着说，尽管如此，他仍打算与KingslyChuoBeng一起查明这件事的真相。

“现在，我们第一次可以确定哪些幼虫在一年中的什么时候漂浮在水中。”

研究人员时不时地遇到所谓的神秘物种——基因上是新的但外表与其他已知物种相似的物种。此外，遗传方法增加了发现稀有或濒危物种(包括海洋哺乳动物)的可能性。“我们发现的物种比我们以前能识别的要多，”拉克曼强调说。所有这些因素都表明了eDNA在打开以前隐藏的生物多样性领域方面的巨大潜力。

当谈到在底栖生物和鱼类的浮游动物样本中发现的幼虫时，就会发现一个全新的世界。使用传统方法，这些微小的生物通常只能粗略地分配给不同的动物群。然而，元条形码允许研究人员查明这些幼虫中的许多属于哪个物种——前提是它们已经在数据库中进行了编目。“现在，我们第一次可以确定哪些幼虫在一年中的什么时候漂浮在水中。这使我们能够得出关于它们的分布和繁殖周期的结论，”Laakmann评论道。特别是在春末和夏季，当许多生物体繁殖时，eDNA分析可以检测到的浮游动物样本中的物种数量是传统方法的四倍。

欧洲牡蛎的幼虫在显微镜下也几乎无法辨认。在自由游动阶段，当它们的尺寸小于一毫米时，它们类似于使用叶状延伸物移动的圆形斑点，就像所有其他双壳类幼虫一样。尽管如此，Laakmann和她的团队仍然相信，他们将能够发现北海广阔的软体动物后代的漂移情况。在CREATE项目的预备研究中，他们已经成功地鉴定了水样中牡蛎幼虫的遗传物质。