“生物多樣性湯”技術，是一種集合了高通量測序技術的新穎的生物多樣性監測手段，可以同時分析大量的混合性生物樣本，更為快速高效地獲取高精度地面生物多樣性資料。
螞蟥、蟑螂、螳螂……在雲南高黎貢山，這些小動物不只是兒時夥伴藏匿在盒子裡引人尖叫的“玩具”，還有著不為人知的作用——監測環境中的生物多樣性。
早在2012年，中國科學院昆明動物研究所俞維理研究員帶領的生態學與環境保護中心團隊研究發現，透過對一定區域內昆蟲樣本的混合DNA測序，可以對該區域的生物多樣性進行編目和監測。他們在國際期刊《生態學與進化方法》發表了第一篇描述“生物多樣性湯”這一高通量條形碼技術流程的研究論文，併成為該期刊引用下載次數最高的文章之一。
近期，俞維理團隊再次在國際期刊《生態學與進化方法》上發表了《生物多樣性湯II：更低錯誤率的高通量條形碼流程》，透過最佳化多個技術環節，對快速監測生物多樣性的高通量條形碼技術進行了改進。
“生物多樣性湯”vs傳統監測
“所有的生物都含有DNA，即使是非常細小的碎片，其DNA也可以被用於物種鑑定。”俞維理說。
“生物多樣性湯”正是利用了生物的這一特點，透過不斷革新的分子手段和測序技術對混合的生物DNA樣本進行分析，還原出混合性生物樣本中的物種資訊以及多樣性特徵，即生態學家們經常說的α多樣性指數、β多樣性指數等。這些資訊也是我們進行生物多樣性監測的基礎。
此前，俞維理團隊將“生物多樣性湯”與傳統的生物多樣性監測方法進行了對比。用於比較的資料都來源於在中國雲南、馬來西亞和英國分別開展的生物多樣性監測專案，包括5.5萬份鱗翅目昆蟲和鳥類等物種資訊。
“傳統資料可以說是生物多樣性鑑定的黃金標準，但要獲得這樣的資料需要付出高昂成本，因此保護學者和環境管理者們往往只能利用有限的資訊來進行決策。”俞維理介紹，由於其浩大的取樣和分類規模，研究不可避免地被限制在小的區域且難以有效複製。但現實情況是，研究結論亟待在大尺度上覆制和檢驗，所以其團隊採用的高通量方法，實現了更大尺度上的可操作性。
“生物多樣性湯”技術正是一種集合了高通量測序技術的新穎的生物多樣性監測手段，可以同時分析大量的混合性生物樣本，獲取高精度的地面生物多樣性資料。這一技術與依賴於大量分類學專家的傳統監測方法相比更為快速高效，同時可靠性高，並具有可供第三方檢驗的新特點。其最大的突破，在於人們可以更容易地監測環境變化和瀕危物種的狀況。
“升級版”可更高效準確分析樣本
自“生物多樣性湯”技術發表以來，俞維理團隊一直在不斷完善這一技術的各個環節，並努力探索和拓展這一技術的應用範圍。他們利用“生物多樣性湯”技術探究了雲南省哀牢山自然保護區內不同海拔段內蛾類的生物多樣性，結果表明與基於傳統形態鑑定的資料一樣，都能顯示出蛾類的群落組成隨海拔和取樣層次的變化趨勢。
“在哀牢山，我們還用同樣的方法研究了真菌多樣性對朽木分解的影響，結果發現真菌越多樣，朽木的二氧化碳釋放速率越低，也就是說多樣的真菌能讓倒木腐朽得更慢，這對於人們瞭解真菌多樣性在維持全球生態系統碳平衡中的作用提供了重要線索。”論文第一作者、中國科學院昆明動物研究所楊春燕博士向科技日報記者介紹。
透過與雲南省林業規劃院和哀牢山自然保護區管理局深度協作，研究團隊藉助於保護區現有分割槽巡邏的管理體系，利用“生物多樣性湯”技術分析由護林員們採集的螞蟥樣本，透過分析其血液DNA中含有的脊椎動物資訊，以此來監測哀牢山保護區內脊椎動物的多樣性。這些都是俞維理團隊利用“生物多樣性湯”技術進行生物多樣性研究和監測的成功案例。
近年來，“生物多樣性湯”技術憑藉其快速、高效、監測範圍廣的特點，逐漸被各國的自然保護管理部門融入其日常監測工作中，針對這一技術的科學研究也一直是相關領域的研究熱點。俞維理團隊透過最佳化多個技術環節，獲得的升級版“生物多樣性湯”，改進了整個實驗設計和生物資訊學分析流程，降低錯誤率的同時提高了運算速率。
“升級版‘生物多樣性湯’可以更高效更準確地一次性分析更多樣本，例如一個監測專案裡採集到幾百個混合的生物樣本，在過去我們需要一個物種一個物種地去分析，但是藉助這項技術，我們可以一次性分析這些樣本。”楊春燕表示，相信這項技術將能在我國“天空地一體化”監測體系中發揮非常重要的作用。
聯袂衛星、遙感進行“天空地一體化”監測
我國是生物多樣性最為豐富的國家之一，生物多樣性保護受到我國各級政府的高度重視。
“生物多樣性調查、評估與監測，旨在獲取時空連續性的生物多樣性資料，這是開展生物多樣性保護的前提，但在目前的生物多樣性保護研究中，如何快速獲得大量物種資訊，仍是亟待破解的難題。”楊春燕告訴記者。
目前，日新月異的技術手段使生物多樣性監測正邁向一個嶄新的紀元。中外科學家幾乎同時提出了將多維的遙感資料和高精的地面資料連線用於監測生物多樣性的體系框架。我國更是率先將“天空地一體化”監測體系明確列入了《關於建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》中。而這個體系中一項重要的內容就是，要快速高效地獲取地面精細的生物多樣性資訊。
我國提出的“天空地一體化”監測體系可以提供研究區域多空間尺度、長時間跨度、連續性的生物多樣性資料。目前，俞維理團隊將“生物多樣性湯”技術（地）與衛星（天）和近地面遙感（空）資料相結合，在哀牢山保護區成功進行了“天空地一體化”探索和應用研究。
“‘天空地一體化’有效應用於生物多樣性監測，迫切需要解決兩個問題：在遙感監測的區域如何快速高效地獲取地面精細的生物多樣性資訊；如何將高通量的生物多樣性訊號與遙感訊號銜接。”楊春燕說，解決以上問題，我國具有得天獨厚的資源和技術優勢。
據悉，我國的遙感技術、地理資訊系統和全球定位系統，以及無人機近地面遙感技術一直處於世界前沿，並已在多種環境監測中得以應用；目前我國有多個團隊在研發地面高精生物多樣性資料的獲取技術，俞維理團隊就是其中最早進行這一嘗試的團隊；另外，我國建設有眾多的自然保護區，其中一些建設較早的保護區具有豐富的基礎資料積累和設施完善的野外觀測臺站。
“依託這些自然保護區開展‘天空地一體化’的體系探索和應用研究，有助於儘早實現該體系對我國生物多樣性的有效監測，佔領生物多樣性監測的前沿高地。”楊春燕說。（記者 趙漢斌）
來源：科技日報
