DNA 代谢条形码技术：为生物多样性监测开启新篇

为解决传统生物多样性监测方法的局限，研究人员开展 DNA 代谢条形码研究，证实其潜力，助力生物多样性监测。

　　

生物多样性监测的困境与新希望

在全球生态环境急剧变化的当下，生物多样性正面临着前所未有的挑战。物种消失的速度不断加快，生态系统的平衡被打破，这不仅影响着地球的生态服务功能，也威胁着人类的生存与发展。为了更好地保护生物多样性，我们迫切需要全面、准确地了解生物多样性的现状和变化趋势，这就离不开生物多样性监测。

传统的生物多样性监测方法，大多依赖于光学识别，对于那些容易观察和区分的生物，比如许多维管束植物、哺乳动物、鸟类、软体动物以及大型昆虫（如蜻蜓和蝴蝶）来说，这种方法还算有效。随着自动化图像识别技术的进步，相关工作更是得到了进一步的助力。但对于微小生物，尤其是昆虫，传统方法就显得力不从心了。昆虫占据了动物界生物多样性的绝大部分，在生态系统中扮演着至关重要的角色。然而，要准确鉴定它们的种类，往往需要专业知识和耗费大量时间的显微镜分析。面对含有成千上万个体的样本，即便少数专家也难以完成这项艰巨的任务。此外，目前我们对生物多样性的了解还远远不够，许多物种尚未被发现或记录，这使得传统监测方法在全面评估生物多样性变化和保护措施的有效性方面存在很大的局限性。

为了突破这些困境，研究人员将目光投向了基因技术，其中 DNA 代谢条形码（DNA metabarcoding）技术成为了生物多样性监测领域的一颗新星。德国杜伊斯堡 - 埃森大学（University of Duisburg-Essen）水生生态系统研究中心的 Dominik Buchner 和 Florian Leese 等研究人员，针对该技术在生物多样性监测中的应用展开了深入研究，相关成果发表在《BIOspektrum》上。

研究采用的关键技术方法

研究采用的关键技术是 DNA 代谢条形码技术。该技术首先从样本（如昆虫样本组织、环境样本中的沉积物或水等）中提取 DNA，接着利用通用引物通过聚合酶链式反应（PCR）同时扩增样本中所有物种的一段短 DNA 识别序列（DNA 条形码），随后进行测序。得到的序列经过生物信息学筛选，聚类为可操作分类单元（OTUs），其可近似代表物种；也可进一步处理为精确序列变异体（ESVs），以获取样本内物种遗传变异的大致评估。最后，通过与参考数据库比对，就能快速确定样本的物种组成。在实验过程中，研究人员还采取了一系列质量控制措施，包括样本的空间独立重复、设置阴性对照以及双索引标记等，以确保实验结果的可靠性。研究样本来自德国长期生态研究网络（LTER-D）的马氏网陷阱，共分析了 1815 个样本。

研究结果

1. DNA 代谢条形码技术的潜力验证：研究人员通过 2021 年的一项先驱研究，验证了 DNA 代谢条形码工作流程借助移液机器人具有可重复性和可扩展性。研究中整合了三项重要的质量保证措施：一是对所有样本进行空间独立重复，只有在两个重复样本中都出现的序列才被视为有效，有效过滤了 PCR 和测序错误；二是设置多个无 DNA 的样本作为阴性对照，用于识别潜在的实验室污染和背景噪音；三是采用双索引标记，大大减少了样本错误分配的情况，提高了测序深度和代谢条形码的灵敏度。
2. 德国昆虫监测结果：在 2024 年德国全国性昆虫监测项目中，研究人员分析了来自德国各地马氏网陷阱的 1815 个样本，检测到近 32000 个物种。其中，约 10000 个物种得到了分类学验证，而约 22000 个物种因缺乏精确参考序列或可能是新物种而未命名。研究还通过开源协议扩展了自动化工作流程，将每个样本的成本（包括人工成本）降低到 50 欧元以下，1815 个样本从提取到生成分类列表的处理时间为 28 人周，这表明单个参考实验室仅需少量人员就能开展全国性监测。不过，研究结果也暴露出一些问题，许多昆虫类群缺乏参考序列，且该方法目前还没有正式的（如 DIN - 德国标准化学会）标准。

研究结论与讨论

这项研究充分展示了 DNA 代谢条形码技术在生物多样性监测中的巨大潜力，尤其是在大规模样本分析方面，为生物多样性监测提供了一种高效、可靠的新途径。它能够在不依赖大量分类学专业知识的情况下，快速准确地确定样本中的物种组成，极大地提高了生物多样性监测的效率和准确性。

然而，要充分发挥 DNA 代谢条形码技术的潜力，还需要进一步的研究和努力。在长期数据方面，应建立长期的生物多样性环境观测体系，或对现有监测项目（如水质框架指令调查）进行扩展。在分类学基础方面，整合经典形态学方法、自动化图像识别和基因组学等多学科手段，对难以确定的物种进行鉴定和描述，解决 “暗分类群” 问题。在数字基础设施方面，需要构建一个国际数字化 “生态系统”，按照 FAIR 原则（可发现、可访问、可互操作、可重用）整合遗传生物多样性数据。在质量保证方面，应建立全球统一的最低标准，并将生物多样性监测的质量保证制度化，包括样本的长期保存。

DNA 代谢条形码技术为生物多样性监测带来了新的希望，但要实现全面、高效的生物多样性监测，还需要多学科的协同合作和持续的技术创新。相信在未来，随着技术的不断完善和发展，这一技术将在生物多样性保护和生态系统管理中发挥更加重要的作用。