“生物多樣性湯”二代來襲 占領(lǐng)生物多樣性監(jiān)測高地
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】 我國是生物多樣性豐富大國之一。據(jù)國家林業(yè)和草原局統(tǒng)計(jì)，我國目前各類保護(hù)地總數(shù)達(dá)1.18萬個(gè)，占陸域國土面積的18%、領(lǐng)海的4.1%。自然分布的野生動(dòng)物中，脊椎動(dòng)物約7300余種，其中獸類564種、兩棲類416種、鳥類1445種、爬行類463種，其余為魚類；已定名昆蟲約13萬種；高等植物3萬多種，其中特有植物種類約1.7萬余種。面對豐富物種，實(shí)時(shí)生物監(jiān)測非常有必要。生物多樣性監(jiān)測是在時(shí)間尺度上對生物多樣性的反復(fù)編目，從而確定其變化。它不僅了解生物多樣性情況和生態(tài)分區(qū)范圍，還在保護(hù)生物多樣性、評價(jià)環(huán)境影響等問題上提供有效數(shù)據(jù)。
近日，中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所俞維理研究員及其團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了快速監(jiān)測生物多樣性的高質(zhì)量條形碼技術(shù)，該項(xiàng)結(jié)果以《生物多樣性湯I(xiàn)I：更低錯(cuò)誤率的高通量條形碼流程》為名發(fā)表在國際期刊《生態(tài)學(xué)與進(jìn)化方法》。
其實(shí)早在2012年，俞維理研究員及其團(tuán)隊(duì)對區(qū)域內(nèi)昆蟲給樣本的混合DNA測序，實(shí)現(xiàn)了對該區(qū)域的生物多樣性編目和監(jiān)測，并將“生物多樣性湯”這一高通量條形碼技術(shù)流程的研究論文發(fā)表在國家期刊《生態(tài)學(xué)與進(jìn)化方法》。如今通過優(yōu)化多個(gè)環(huán)節(jié)，生物多樣性監(jiān)測技術(shù)又上一個(gè)臺階，“生物多樣性湯”二代來臨。
高通量測序技術(shù)監(jiān)測 獲取大量生物數(shù)據(jù)
“生物多樣性湯”是一種高通量測序技術(shù)的新穎的生物多樣性監(jiān)測手段，可以同時(shí)分析大量的混合性生物樣本，獲取地面生物多樣性數(shù)據(jù)。
每種生物都含有DNA，任意的DNA碎片都可以被用于生物物種鑒定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生物監(jiān)測。“生物多樣性湯”即利用分子手段和測序技術(shù)分析混合生物的DNA樣本，還原物種信息及多樣性特征，包括α多樣性指數(shù)、β多樣性指數(shù)等。
“生物多樣性湯”助力下，研究人員探究云南自然保護(hù)區(qū)內(nèi)不同海拔段內(nèi)蛾類的生物多樣性，其結(jié)果可顯示出蛾類的群落組成隨海拔和采樣層次的變化趨勢。不僅如此，“生物多樣性湯”還能分析真菌多樣性對朽木分解的影響：真菌種類越多，朽木的二氧化碳釋放速率越低，朽木腐朽得更慢。
降低高昂數(shù)據(jù)成本 推進(jìn)多學(xué)科共發(fā)展
目前來說，生物多樣性監(jiān)測包括群落內(nèi)多樣性、群落間多樣性指數(shù)、異地同類生境指數(shù)監(jiān)測。監(jiān)測手段多以人工、儀器、基因技術(shù)監(jiān)測。例如利用紅外觸發(fā)相機(jī)，清晰監(jiān)測獸類和地面活動(dòng)鳥類，錄音機(jī)自動(dòng)采集鳥類的叫聲，通過聲景分析，鑒定生物種類、評估多樣性。又如，分子-組學(xué)技術(shù)不在生物多樣性監(jiān)測中的應(yīng)用廣泛。宏基因組學(xué)方法是土壤微生物鑒定和監(jiān)測的常用方法。土壤動(dòng)物形態(tài)難以鑒定、耗時(shí)較長，將常規(guī)形態(tài)鑒定與分子技術(shù)相結(jié)合會對土壤動(dòng)物多樣性，起到一定推動(dòng)作用。
這些傳統(tǒng)監(jiān)測手段耗費(fèi)大量人工、儀器等多個(gè)項(xiàng)目成本。況且，由于其采樣和分類規(guī)模浩大，研究被限制在針對性較強(qiáng)、較小的區(qū)域且難以復(fù)制。因此，保護(hù)學(xué)者和環(huán)境管理者們往往只能利用有限的數(shù)據(jù)來進(jìn)行決策。
與傳統(tǒng)監(jiān)測性比，“生物多樣性湯”技術(shù)憑借其快速、高效、監(jiān)測范圍廣的特點(diǎn)，通過高通量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大尺度上復(fù)制和檢驗(yàn)，監(jiān)測成本大幅減少，可以同時(shí)分析大量混合樣本，獲得準(zhǔn)確的生物多樣性數(shù)據(jù)，高速、高效提供第三方檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)監(jiān)測環(huán)境變化指數(shù)和瀕危物種的狀況。
“生物多樣性湯”推動(dòng)生物監(jiān)測逐漸從形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生理生化發(fā)展到分子，深刻揭示遺傳物質(zhì)的遺傳、變異情況。該種技術(shù)逐漸被多國自然保護(hù)管理部門納入其日常監(jiān)測工作中，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和生物信息學(xué)分析流程，降低錯(cuò)誤率、提高運(yùn)算速率。此外，“生物多樣性湯”不僅讓生物多樣性本身的變化受到關(guān)注，而且將人們的視線延伸到影響生物多樣性的因素如氣候變化、土地利用、環(huán)境污染等，并為相關(guān)學(xué)科如農(nóng)學(xué)、林學(xué)、漁業(yè)學(xué)、土壤學(xué)等提供大量的資料。
構(gòu)建多維監(jiān)測體系 解決兩大難題
目前，生物多樣性調(diào)查、評估與監(jiān)測是獲得生物多樣性數(shù)據(jù)的主要手段，也是開展生物多樣性保護(hù)的前提。但目前大量獲取物種信息仍是一個(gè)難題。
技術(shù)讓生物多樣性監(jiān)測邁向新紀(jì)元。生物監(jiān)測通過天空地一體化，建立三維監(jiān)測系統(tǒng)，多方位監(jiān)測生物多樣性，高效地獲取地面精細(xì)的生物多樣性信息。該系統(tǒng)恰好解決了如何快速獲取地面精細(xì)的生物多樣性信息，如何將高通量的生物多樣性信號與遙感信號銜接兩個(gè)問題。
該三維監(jiān)測系統(tǒng)包括遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)，以及無人機(jī)近地面遙感技術(shù)等。大尺度上以衛(wèi)星遙感為主，小尺度上以近地面遙感為主，包括利用高光譜、多光譜儀、激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)。近地面遙感技術(shù)快速推廣得益于無人機(jī)廣泛使用。
衛(wèi)星遙感、地面人工觀測和調(diào)查結(jié)合，主要用于整改生態(tài)系統(tǒng)，而近地面遙感與人工觀測結(jié)合，用于動(dòng)植物個(gè)體。多維遙感數(shù)據(jù)和高精地面數(shù)據(jù)相連接，構(gòu)建用于監(jiān)測生物多樣性的體系框架。
該體系提供研究區(qū)域長時(shí)間跨度、多空間尺度的生物多樣性數(shù)據(jù)。目前，研究團(tuán)隊(duì)將衛(wèi)星、近地面遙感與“生物多樣性湯”技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建“天空地一體化”探索和應(yīng)用研究。
未來，依托“生物多樣性湯”以及三維體系，將推動(dòng)我國生物多樣性監(jiān)測進(jìn)程，助力我國盡早占領(lǐng)生物多樣性監(jiān)測的前沿高地。
(資料來源：科技日報(bào))
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