利用空气DNA宏条形码技术调查热带动物多样性：一种高效非侵入式生物监测新方法

《Scientific Reports》：Surveying tropical faunal diversity via airborne DNA analyses

　　本研究针对传统陆地生物多样性监测手段的局限性，开发了基于空气环境DNA（airDNA）宏条形码（metabarcoding）的技术。研究人员在巴罗科罗拉多岛部署28台大流量空气采样器，通过COI和12S rRNA引物测序，成功检测到1293个节肢动物OTU和157个脊椎动物OTU，物种丰富度与传统方法相当甚至更高。该研究证明了airDNA宏条形码能够高效、非侵入性地分析高多样性热带动物群落，为大规模生物多样性监测提供了新方案。

　　

随着全球生物多样性的持续下降，开发有效的监测工具以指导保护工作和可持续土地管理变得尤为迫切。然而，在多样化的生境中有效量化陆地动物群落的多样性仍然是一个重大挑战。传统的监测方法，如相机陷阱、灯光陷阱和马氏网，通常针对特定类群，且费时费力，难以实现大范围、多类群的同步快速评估。环境DNA（environmental DNA, eDNA）技术，特别是水生环境eDNA宏条形码（metabarcoding）技术，已经彻底改变了水生生物多样性调查。那么，能否将类似的革命带到陆地生态系统的监测中呢？

土壤虽然含有来自地表生物的eDNA，但面临着DNA降解和分布不均的挑战，使得在相关空间尺度上对陆地生物多样性进行可靠推断变得复杂。其他技术，如从叶片表面收集eDNA，或从食腐蝇等消费者的消化系统中收集eDNA，对特定类群有用，但在捕获广泛的陆地动物多样性方面可能存在局限。近年来，空气环境DNA（airDNA）分析崭露头角。许多生物会将DNA释放到空气中，这些空气DNA可以通过将空气抽过过滤器来收集，随后对捕获的DNA进行提取和宏条形码分析，以识别特定区域的物种。早期的研究在动物园和自然环境中成功检测到了哺乳动物和鸟类的DNA，但检测到的物种丰富度通常有限，尤其是节肢动物的检测效果是否能与传统方法相媲美，仍是未知数。此外，由于空气中生物DNA的浓度极低，如何优化采样和实验室流程（如采样体积、PCR重复数）以最大化多样性检出率，是该方法走向常规应用必须解决的瓶颈问题。

为了验证空气DNA宏条形码在表征高多样性热带森林动物群落方面的潜力，并探索最有效的采样策略，由Joseph M. Craine等人组成的研究团队在著名的巴罗科罗拉多岛（Barro Colorado Island, BCI）开展了一项深入研究。这项发表在《Scientific Reports》上的研究，系统地评估了airDNA宏条形码技术的效率。

研究人员在巴罗科罗拉多岛约1.5平方公里区域内布设了28个采样点，使用大流量风扇（流速约36 m3 h?1）连续两天进行24小时空气采样，共获得56个空气样本。DNA提取后，分别使用通用的后生动物COI引物（mlCOIintF/jgHCO2198）和脊椎动物特异性的12S rRNA引物进行PCR扩增，每个样本为每种引物设置12个独立的PCR重复，随后使用牛津纳米孔技术（Oxford Nanopore Technologies）进行测序。测序数据经过质量控制、去噪生成精确序列变体（Exact Sequence Variants, ESVs），并使用LULU算法进行 curation 后，以97%的相似度阈值聚类为操作分类单元（Operational Taxonomic Units, OTUs），最后通过比对NCBI和BOLD数据库进行物种注释。

Arthropod diversity assessed via AirDNA analyses of COI

通过COI引物对56个样本的测序分析，共检测到1293个节肢动物OTU。其中，1052个OTU（81%）被注释为双翅目（Diptera），而双翅目中又有982个OTU（占全部节肢动物OTU的76%）属于瘿蚊科（Cecidomyiidae）。其他丰富的节肢动物目包括鳞翅目（Lepidoptera, 65个OTU）、膜翅目（Hymenoptera, 37个OTU）、鞘翅目（Coleoptera, 19个OTU）等。物种累积曲线分析表明，随着每个样本的PCR重复数增加，检出的OTU数量以渐进方式增长。当使用12个PCR重复时，平均每个样本可检测到141个节肢动物OTU；若将PCR重复数加倍至24个，预计平均每个样本仅能增加21个OTU。在空间尺度上，28个采样点共检测到1293个节肢动物OTU，约占渐近丰富度（1549个OTU）的84%。增加采样点数量比在同一地点重复采样更能有效地增加物种检出率。地理距离与节肢动物群落组成相似性之间没有显著相关性。

Vertebrate diversity assessed via AirDNA analyses with 12S rRNA

通过12S rRNA引物分析，共检测到157个脊椎动物OTU。这些OTU涵盖了鸟类（Aves, 97个OTU）、哺乳动物（Mammalia, 45个OTU）、鱼类（Actinopteri, 7个OTU）、爬行动物（Reptilia, 6个OTU）和两栖动物（Amphibia, 2个OTU）。鸟类OTU分布于18个目，其中雀形目（Passeriformes）最为丰富（33个OTU）。哺乳动物中，检出频率较高的包括领西貒（Dicotyles tajacu）、白鼻浣熊（Nasua narica）等。与节肢动物类似，脊椎动物OTU数量也随PCR重复数增加而渐近增长。12个PCR重复时，平均每个样本检出22个脊椎动物OTU。28个采样点（两天合并）检测到的157个OTU占渐近丰富度（206个OTU）的76%。对于脊椎动物，增加采样点与增加采样天数对物种检出的边际效益无显著差异。

Discussion

本研究证明，空气DNA宏条形码能够高效、非侵入性地描绘高多样性的热带陆地动物群落。在短短两天内，通过28个采样点检测到的节肢动物OTU丰富度（1293个）与BCI当地使用灯光陷阱和马氏网等常规技术量化的丰富度相当，而脊椎动物OTU丰富度（157个）则超过了常规技术（如相机陷阱、声音监测）通常观察到的水平。研究发现，采样策略显著影响物种检出效果：增加独立采样点的数量是提高物种检出率的最有效途径；增加PCR重复数（尤其是对12S rRNA分析）和采样天数也能提升检出率，但效益相对较低。实验室流程优化显示，对COI分析而言，超过6个PCR重复的收益递减；而对12S rRNA分析，12个PCR重复仍有明显效益。增加测序深度对丰富度估计的提升微乎其微。

该技术捕获的类群组成有其特点：节肢动物中瘿蚊科占绝对优势，这可能反映了该科物种的真实超多样性，也可能与采样器对弱小飞行昆虫的捕获效率或PCR扩增偏好有关。脊椎动物的检出组成与相机陷阱等传统方法在某些方面（如常见哺乳动物的相对多度）有较好的一致性，但也存在差异（如蝙蝠类群检出不足）。这些发现提示，空气DNA提供的生物多样性信息是对传统方法的有力补充，而非简单替代。

总之，这项研究标志着空气DNA宏条形码技术向大规模、标准化陆地生物多样性评估迈出了关键一步。该技术具有部署快速、成本相对较低、可同时监测多类群（节肢动物、脊椎动物，未来可扩展至植物和真菌）的巨大优势。尽管在参考数据库完善、标准化流程建立等方面仍需进一步工作，但空气DNA宏条形码有潜力成为未来保护监测和生物多样性信用体系大规模应用的关键工具，为实现快速、全面的陆地生物多样性评估解锁了新途径。