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【科技通訊】公民科學(xué)和環(huán)境DNA結(jié)合：研究地下水生物多樣性公民科學(xué)與環(huán)境DNA的巧妙結(jié)合：深度探索地下水生物多樣性 地下水是物理意義上最大的淡水生態(tài)系統(tǒng)，但是因為缺乏相應(yīng)的監(jiān)測方法，地下水系統(tǒng)也是地球上被探索最少的棲息地之一。本研究基于雙重方法，探索了地下水的生物多樣性。首先，使用公民科學(xué)與市政供水商合作，在春季使用流域箱進行采樣（地下水生物）和DNA條形碼檢測。其次，在每個地點收集4組10L水樣用于環(huán)境DNA（eDNA）檢測。通過兩種方法的結(jié)合發(fā)現(xiàn)，不同的端足目物種對應(yīng)著環(huán)境DNA數(shù)據(jù)集的不同序列，且端足目動物的多樣性與各地點地下水生物多樣性之間存在明顯相關(guān)性。
圖1 地下洞穴及地下水生物 論文DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-023-44908-8
圖2 集水區(qū)地圖及采樣介紹 (a)托斯河（瑞士東北部）集水區(qū)地圖，標(biāo)記了20個采樣地點，方形為端足目動物分布地點。(b)在每個采樣點布設(shè)一個泉水集水箱（SCB）用于收集含水層的儲水。公民科學(xué)調(diào)查中：用水族網(wǎng)收集覆蓋盆地中的生物①，使用網(wǎng)兜包裹住外管，每周收集捕獲的生物②。eDNA調(diào)查中：直接從塑料容器中的外管中收集，然后帶回實驗室進行過濾③。（c）和（d）分別為泉水集水箱（SCB）外部和內(nèi)部照片。 地下水生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜而多樣的環(huán)境，包含著多種多樣的生物，這些生物在地下水環(huán)境中生存和繁衍，形成了獨特的生態(tài)系統(tǒng)。通過研究地下水生物可以了解地下水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，以及生物與環(huán)境之間的相互作用，有助于保護和恢復(fù)生物多樣性，維護生態(tài)平衡。隨著數(shù)據(jù)庫的不斷完善和標(biāo)準(zhǔn)化工作的推進，環(huán)境DNA條形碼檢測技術(shù)逐漸成為生態(tài)保護領(lǐng)域的熱點，結(jié)合公民科學(xué)的調(diào)查方式，為地下水生態(tài)系統(tǒng)物種監(jiān)測提供了新的解決方案。 1. 兩種方法共同檢出率為30%，剩余70%僅由公民科學(xué)方法檢出 通過比較兩種方法在每個采樣點的有效性發(fā)現(xiàn)，在同一采樣時間內(nèi)，只有20%的檢測結(jié)果是一致的（圖3a）。在不同采樣時間段內(nèi)，所有eDNA宏條形碼檢測都與公民科學(xué)方法結(jié)果相匹配（圖3b）。因此，當(dāng)涉及到時間跨度較大的物種監(jiān)測時，將公民科學(xué)和環(huán)境DNA技術(shù)結(jié)合起來，很大程度上能夠提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以良好揭示地下水系統(tǒng)生物多樣性狀況。
圖3 兩種方法在每個采樣點的有效性的比較 每個彩點代表在一個位置（x軸）上檢測到一個特定的物種（y軸），綠點代表公民科學(xué)檢測，紅點代表eDNA宏條形碼，黃點代表共用兩種方法。右側(cè)Te維恩圖展示了組內(nèi)與組間的檢測比例。 2.方法比較：在物種檢測準(zhǔn)確性（eDNA技術(shù)）和監(jiān)測范圍上（公民科學(xué)）各具優(yōu)勢 公民科學(xué)與eDNA宏條形碼方法檢測到的6種地下水端足目物種的豐度和頻率的對比（表1），證明在同一采樣地點的條件下，環(huán)境DNA檢測的準(zhǔn)確性遠大于人為收集數(shù)據(jù)的公民科學(xué)方法。 在大部分地區(qū)，采用公民科學(xué)方式只能檢出1-2種物種，但有2個以上分布地的物種占絕大多數(shù)（圖4a）。所檢測到的6個物種在Toss流域有很大的重疊面積（圖4b），再次驗證了雖然公民科學(xué)檢出物種數(shù)偏少，但在監(jiān)測流域內(nèi)具有一定分散性的物種時具備某種程度上的優(yōu)勢。
表1 公民科學(xué)與eDNA宏條形碼方法檢測到的6種地下水端足目物種的豐度和頻率結(jié)果
圖4 公民科學(xué)方法得出的端足目物種分布圖 (a) 柱狀圖頂部標(biāo)注了占采樣地點總數(shù)的比例。（b）不同顏色的多邊形代表不同端足目動物物種分布范圍，灰色方塊表示采樣點。 3.方法分析：物種多樣性（eDNA技術(shù)）與物種豐富度（公民科學(xué)）顯著相關(guān) 為了評估端足目和地下水群落之間的關(guān)系，本研究將每個采樣點檢測到的端足目物種數(shù)量與eDNA宏條形碼檢測的ASV多樣性進行比較，結(jié)果具有顯著相關(guān)性（圖5）。
圖5 eDNA宏條形碼方法調(diào)查的物種多樣性與公民科學(xué)調(diào)查的端足目豐富度之間的相關(guān)性 藍線表示線性回歸（y=1.951x+5.568），標(biāo)準(zhǔn)差為灰色 公民科學(xué)與eDNA宏條形碼檢測在不同的需求下可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。eDNA宏條形碼檢測更容易在空間（如不同區(qū)域或國家）和時間（如年度監(jiān)測）上擴大規(guī)模。同時，還能檢出該區(qū)域整個群落的信息（而非一組特定的物種），但目前數(shù)據(jù)庫還不夠完善。公民科學(xué)方法不僅能用來進行形態(tài)學(xué)研究、物種描述，而且可用于調(diào)查種群遺傳模式或營養(yǎng)相互作用，還能廣泛地讓公民參與到了生物研究中，共同保護生物多樣性。 南京大學(xué)環(huán)境DNA技術(shù)團隊自主研發(fā)了一套高效、高通量、高靈敏度的環(huán)境DNA生物監(jiān)測技術(shù)。從環(huán)境介質(zhì)中快速獲得全系物種組成信息，6年間完成了中國本土物種條形碼數(shù)據(jù)庫的積累，為水生態(tài)健康評估與診斷提供準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。 團隊目前已在江蘇省多次組織環(huán)境DNA公民科學(xué)活動，通過科學(xué)愛好者和科學(xué)家共同合作的方式，利用自主研發(fā)的“環(huán)境DNA采集工具包”輕松完成水體采樣，調(diào)查結(jié)果以可視化方式在小程序呈現(xiàn)，便于參與者自由、直觀地獲悉公民科學(xué)項目的研究進度及物種知識。
圖6 環(huán)境DNA公民科學(xué)生物多樣性監(jiān)測過程 參考文獻： 1. Couton M, Studer A, Hürlemann S, Locher N, Knüsel M, Alther R, Altermatt F. Integrating citizen science and environmental DNA metabarcoding to study biodiversity of groundwater amphipods in Switzerland. Sci Rep. 2023 Oct 23;13(1):18097. 2. Zhang H, Yang J, Zhang L, Gu X, Zhang X. Citizen science meets eDNA: A new boom in research exploring urban wetland biodiversity. Environ Sci Ecotechnol. 2023 Apr 5;16:100275. doi: 10.1016/j.ese.2023.100275. PMID: 37213810; PMCID: PMC10196805. 3. 【全國生態(tài)日】以水為媒：環(huán)境DNA公民科學(xué)持續(xù)探索江蘇生物多樣性.https://mp.weixin.qq.com/s/tid70sPsduvriMHB4Vsvtg 4. 【6.5環(huán)境日】從1 到 13：環(huán)境DNA公民科學(xué)探索城市生物多樣性研究新熱潮.https://mp.weixin.qq.com/s/x_sHZ8gqOrKKuD5VlGMDgg 5. 【科普教程】環(huán)境DNA公民科學(xué)采樣操作指南https://mp.weixin.qq.com/s/rrvSIWLiJbB0MWGJk91kyg 6. http://www.lbspx.cc/ |
