生态侦探：学生研究人员使用废弃的DNA来调查水生奥秘

威廉和玛丽水生生态专业的学生没有拿着放大镜，而是将20磅重的蓝色背包扛在肩上。3月22日是世界水日，这些便携式采样系统使学生能够快速有效地收集高质量的数据，以加深对水相关问题的科学理解。

水和数据是W&M战略计划“2026年愿景”的四项基石计划中的两项。

环境DNA（eDNA）是生物体脱落或分泌到周围环境中的DNA。皮肤细胞、毛发、粘液和粪便就是其中的几个例子。丢弃的DNA在水生和陆地环境中持续约7-21天，然后由于热量、UVB暴露、酸度或酶活性等因素而降解。

最近的技术进步使研究人员能够收集和分析水和土壤样本中的eDNA，以确定特定地点存在哪些物种。这些信息有助于确定是否存在难以捉摸或稀有的物种，这些物种可能无法通过更传统的调查方法检测到。它还可以提供入侵物种的早期识别。

“环境DNA揭开了真正多样性的面纱，”生物学助理教授詹姆斯·斯凯尔顿（James Skelton）说。“这通常是一种比传统调查更有效的检测方法。它带有警告，所以你必须小心，但我们可以比以前更清楚地看到事情。

Skelton是一位社区生态学家，他使用分子方法来回答生态问题。他专门研究水生生态学，他实验室的学生一直在使用eDNA和分子方法进行吸引他们特定兴趣的研究。

认识 Rose 和 Frank

Rose 和 Frank 是生物系的 eDNA 背包采样员，Skelton 称他们为他做过的最好的投资。

这些便携式 eDNA 采样系统以英国科学家罗莎琳德·富兰克林 （Rosalind Franklin） 的名字命名，她在发现 DNA 结构方面发挥了重要作用，使研究人员能够在现场方便高效地收集样本。

“回到eDNA技术的旧时代 – 大约五年前 – 研究人员在塑料容器中收集水样，并将它们拖回实验室进行分析，”Skelton说。他解释说，这种笨拙的方法需要一个步入式冷冻室作为存储空间，并且增加了实验室内样品污染的风险。

“但对于罗斯和弗兰克来说，”斯凯尔顿说，“这是一个完全不同的故事。

背包以标准化的压力、速率和体积在现场过滤水样，甚至记录 GPS 坐标和采集时间。在过滤过程中，水通过捕获DNA的膜。样品过滤后，将膜从设备中取出并放入装有 DNA 防腐剂的无菌管中，无需笨重的水容器和冷冻存储空间。

“这样一来，它也永远不会在实验室中被打开，”Skelton说。“基于实验室的污染机会要少得多。”

使用早期的eDNA样本采集方法，可能需要数月或数年的时间才能训练学生正确收集、储存和识别样本。

“我可以在大约一个小时内训练学生使用 Rose 和 Frank，”Skelton 说。“在那之后，我可以派一名本科生到现场，他们可以收集到令人难以置信的丰富、高质量的数据，我们可以在第一天就信任这些数据。罗斯和弗兰克看起来也像捉鬼敢死队的质子包，学生们真的很喜欢。

eDNA研究的多功能性

在W&M的四年里，Rose和Frank被用于广泛的研究。

例如，斯凯尔顿的一名本科生对一组非常多样化且未被充分研究的生物产生了兴趣。

“我曾经在晚上11点在实验室里看到Lauren French（22岁）阅读一篇关于水生真菌的神秘文字，水生真菌是水生食物网的基础，”Skelton说。

他解释说，水生真菌种类繁多，具有广泛的功能，从将原本不可食用的藻类和坚硬的植物材料转化为无脊椎动物和鱼类的食物，到释放潜在的有毒化合物。水生真菌的群落组成对水生生态系统的健康起着关键作用。

弗兰奇希望探索影响水质的人类活动是否也会影响水生真菌群落的组成。她使用eDNA在威廉斯堡地区的17个当地池塘，溪流和潮汐小溪地点鉴定了数千种真菌。

将这些信息与凯克实验室生物学教授兰迪·钱伯斯（Randy Chambers）收集的长期水质数据进行比较，French发现水质与水生真菌的群落组成和功能多样性之间存在很强的相关性。温度和颗粒磷起着特别重要的作用。

French的研究对于了解随着人类活动继续影响水生条件，淡水真菌的多样性和功能如何变化非常重要。她的论文已被Wiley期刊Environmental DNA接受发表。

另一位最近的学生，Mindy Spence M.S. ’22，想在她的硕士论文中研究水坝对弗吉尼亚半岛鱼类多样性的影响。为此，她从34个区域水体的465个采样点收集了eDNA样本，以追踪61种鱼类的分布情况。

斯宾塞发现，未筑坝地点的鱼类种类大约是筑坝地点的两倍，在筑坝地点检测到非本地物种的可能性是其2.6倍。

许多本地物种是迁徙的，在其整个生命周期中需要几种类型的栖息地。斯宾塞发现，这些物种在筑坝地点被发现的可能性不到十分之一。

“我们在大坝上游没有看到很多高度迁徙的物种，这并不奇怪，”Skelton说。“令人惊讶的是，她还看到许多非洄游的当地物种减少，比如小沼泽飞镖和我们的本地鲶鱼。

非迁徙性本地物种多样性的减少可能是由于建造水坝时发生的生境改变。

斯宾塞的研究为拟议的建造或拆除大坝的项目提供了重要的考虑因素。它正在接受第二次审查，以发表在《英国皇家学会会刊B》上。

环境DNA也可用于分析胃内容物，开辟了另一条研究途径。

佐伊·哈奇森（Zoe Hutcheson）23岁时想研究当本地物种被生态相似的非本地物种取代时会发生什么。具体来说，她很好奇非本地物种是否填补了类似的生态位，或者是否存在导致更广泛的生态影响的饮食差异。

哈奇森选择研究小龙虾，小龙虾通常被认为是水生环境中的关键物种和生态系统工程师。世界各地的本地小龙虾物种越来越多地被引进物种所取代，需要更多的信息来确定生态影响的范围。

哈奇森分析了在弗吉尼亚州东南部和西南部收集的本地和非本地小龙虾的胃内容物，并使用eDNA方法对其饮食中的动植物成分进行测序。她发现，从同一地点收集的本地和非本地物种所食用的叶子和无脊椎动物类型之间存在显着差异。

“这表明，当非本地物种取代本地物种时，可能会产生社区层面的影响，而不仅仅是用一种小龙虾代替另一种小龙虾，”Skelton说。

哈奇森目前正在准备她的论文，以提交给《淡水生物学》杂志。

这些只是Skelton实验室研究的几个例子。其他正在进行的eDNA项目包括对河口系统中霉素假说的研究，以及与生物学教授Dan Cristol的合作研究，以确定狼蛛的饮食与陆地汞污染之间是否存在直接联系。

“环境DNA为从基础生态学到生物信息学和统计学再到固体分子方法的方方面面提供了很好的教学机会，”Skelton说。“学生有很多机会找到他们真正感兴趣的东西，并在科学研究中使用的广泛组件中获得经验。”

劳拉·格罗夫（Laura Grove ），研究作家