Science：通过来自植物的气载DNA可以发现入侵物种

从灰尘和花粉中收集DNA是调查植物的“游戏规则改变者”

　　

                               

清点一片树林或田野中的植物，或是寻找入侵物种，都需要几天的辛劳劳作，在荆棘丛生的灌木丛和满是虱子的草地上艰难跋涉。现在，研究人员已经证明，简单地捕捉和分析植物释放到空气中的DNA，就可以像把靴子放在地上一样有效，在某些情况下甚至更好。

“空气中的DNA可能会改变我们监测和研究生物多样性的能力，”哥本哈根大学的分子生态学家Kristine Bohmann说，他没有参与这项工作。研究人员说，这种方法有助于追踪气候变化如何改变植物群落的构成，并提供入侵物种的早期预警。

报道上个月BMC生态学与进化这项工作将环境DNA（eDNA）的研究带入了一个新的领域，即释放、排便、咳嗽或以其他方式释放到环境中的遗传物质。水生埃德娜现在是一个被证明是识别鱼类和其他海洋和淡水生物的工具，不需要捕捉它们。在土壤中，埃德娜可以揭示人和动物的存在无论是现在还是古代。约克大学（York University）分子生态学家伊丽莎白·克莱尔（Elizabeth Clare）曾用空气中的埃德娜（eDNA）追踪动物物种，她说：“现在是时候寻找另一种来源了。”。

植物已经释放出空气中的示踪剂，对任何过敏的人来说都很熟悉：风媒花粉。这些颗粒独特的形状使我们能够简单地通过捕捉它们的花粉来识别看不见的物种。但是花粉调查有其局限性。他们只检测由风传播的花粉（其他类型的花粉依赖于传粉昆虫和其他动物），需要训练有素的专家，而且并不总是能对特定物种进行鉴定。得克萨斯理工大学的研究生马克·约翰逊想知道，研究以花粉形式散落在空气中的埃德娜，还是研究树叶或花朵的微小碎片，会不会更好。

他和他的同事们开发了更好的方法，在除尘器中收集植物eDNA，并在2019年证明了过滤器可以从各种植物中捕获含有DNA的痕迹。约翰逊说：“我们可以找到不开花、不授粉的物种，或者它们在冬季不活跃的时候。”。

现在，他展示了埃德娜是如何盘存整个植物群落的。在他的大学里，他在一个小草原上和他的同事们在一个小沙坑里学习。他们在一年中每隔几周收集一次灰尘，提取出DNA，并对不同植物种类的基因进行测序，作为识别它们的“DNA条形码”。在春季和秋季，他的团队还穿上靴子，沿着27条100米长的样带对植物进行了调查。他们比较了两种调查的结果。

研究小组报告说，传统的调查发现了80种物种，而air-eDNA研究则发现了91种。两次调查都发现了相同的13种草种，但是eDNA的工作发现了另外13种。在非木本开花植物中，两种方法总共产生了60种，但每种方法都检测到20种左右，而另一种方法则漏掉了。埃德娜更善于发现有小花的容易被忽视的物种，如黄花豚草。但是人们更善于发现那些太稀有而不能释放出太多eDNA的植物，特别是当它们有艳丽的花朵时，比如巧克力雏菊。

空气中的DNA还显示了天树，一种入侵植物，没有被调查发现。温哥华不列颠哥伦比亚大学（universityofbritishcolumbia）的植物进化生物学家洛伦里塞伯格（lorenrieseberg）说，这令人鼓舞。“我认为（空气中的eDNA）将特别有助于在入侵物种扩散和难以清除之前发现它们。”

这项技术记录了不同物种的丰度是如何随着时间的推移而变化的：例如，塔西芥末在早春的迅速开花和生长，这一事件被地面调查所错过。“这份报告可能会鼓励更多的研究人员采取防尘装置来补充”其他类型的调查，特别是在长期研究地点，费比安·罗杰说，他是ETH zu rich的一位生态学家，他没有参与这项工作。

除了植物DNA，过滤器还从真菌中提取DNA，其他研究人员也从空气中筛选出昆虫、蚯蚓和蛞蝓的DNA。“潜在的空气DNA是难以置信的多样性，代表了生物多样性的全部，”罗杰说。他自己对野外昆虫的eDNA调查只发现了已知存在昆虫的一小部分，但他预计，随着对风和其他条件如何影响DNA收集的更好理解，以及更好的技术，敏感性将得到提高。

现有的捕集器通常依靠自然气流来携带携带eDNA的颗粒，但浓度可能非常低。更有效的过滤器，或者配备有风扇吸入空气的捕集器，可以更好地工作。“你需要一个好的系统来捕捉空气，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室（lawrencelivermore National Laboratory）的分子生物学家克里斯特詹（Crystal Jaing）表示赞同，他一直在评估来自特殊装备飞机的高空空气微生物。

Jonah Ventures的共同所有者Jonah Ventures是一家将eDNA调查商业化的公司，他认为这项技术还没有准备好扩大规模。“我看不到应用程序，”他说。他说，从太空进行精确的光谱测量是测量植物的更好方法。

但也有人指出近年来水生eDNA的研究已经取得了很大进展，他们认为空气eDNA也可以做同样的事情监测地球生命.罗杰说：“空气有可能成为陆地上空的‘水’。”