美国eDNA战略：生物多样性监测的革命性技术，如何全面改变自然资源管理？
细心的读者可能注意到了，上个月“海洋与湿地”（OceanWetlands）微信公众平台报道了美国发布了《美国国家水环境DNA战略》文件，该战略旨在推进该国快速、低成本和有效的eDNA技术，以了解海洋生物及其变化方式，制定更有效的海洋政策。近日，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，由美国华盛顿大学海洋与环境事务学院的Ryan P. Kelly教授带领的研究团队，2024年在Environmental DNA期刊上发表了一篇题为《迈向美国环境DNA国家战略》的文章。这篇文章探讨了环境DNA（eDNA）数据在生物多样性监测和资源管理中的应用潜力，并提出了制定国家eDNA战略的必要性和具体建议。读完之后感觉这篇文章对于我国学者和决策者颇有借鉴意义，为助力全球环境治理、并供我国学者了解最新研究动态信息，编译分享信息如下，供感兴趣的读者们参阅。译文仅供参考，不代表“海洋与湿地”（OceanWetlands）平台观点，且文章篇幅鉴于工作量较原文有所简略。（拓展阅读：《美国国家水环境DNA战略》正式发布， 10大联邦机构携手共促生物多样性监测）
本文约5300字，阅读约13分钟
eDNA技术在海洋和淡水环境中的应用尤其引人注目。传统生物监测手段通常昂贵且时间耗费大，而eDNA技术通过分析水样中的遗传物质，以更低的成本、更高的效率，提供了同样甚至更为精确的结果。例如，维持一艘用于海岸和五大湖监测的研究船每年的成本在220万至4000万美元之间（Luis Valdes & Intergovernmental Oceanographic Commission, 2017），这些高昂的费用限制了在快速变化的环境条件下收集必要数据的能力。相较之下，eDNA技术提供了一种更加经济、高效的替代方案。
在过去的十年中，生物学家学会了如何收集和分析生物体不断生成和脱落的遗传物质。环境DNA（eDNA）提供了一个反映特定时间和地点物种存在的工具，其应用前景类似于遥感技术如何革命性地改变了对农业、海洋学、水文学、化学和景观生态学的认知。遗传信息不仅允许直接测量生物学反应，还能捕捉环境变化的细微差异。
随着技术的进步和成本的下降，eDNA数据变得越来越适用于管理。2001年测序一兆碱基的DNA成本近5300美元，到了2021年已降至不到0.006美元。现在可以快速而廉价地分析大量样本。广泛使用的eDNA分析方法包括定量PCR（qPCR）和数字PCR（dPCR）进行的单物种检测，以及多物种扩增子测序（代谢条形码）；过去十年中，qPCR研究已经成为追踪物种移动、丰度和相互作用的常见方法，而eDNA代谢条形码则开始生成多物种和群落级别的详细视图。
北京中关村大街上的标志性建筑——双螺旋DNA结构。这象征着生命科学研究和产业在这里蓬勃开展。Linda摄影 ©️ 绿会融媒·海洋与湿地工作组
eDNA技术已经成熟，可以作为大规模实用管理工具，联邦机构已经分别开发了eDNA应用以满足各自的任务需求（Lodge, 2022）。在某些应用中，eDNA技术成为传统生物监测技术的有力补充，而在其他应用中，则替代了更昂贵且较慢的传统技术。例如，欧盟和其他国家正迅速推进eDNA标准化实施，以进行生态系统管理，欧洲科学技术合作（DNAqua-NET）和欧洲生物多样性伙伴关系（eWhale）资助的多年努力就是例子。加拿大通过加拿大标准协会（CSA Group）实施了跨部门国家标准，涉及eDNA报告要求和术语。其他国家和国际级别的文档和应用包括芬兰、澳大利亚和新西兰、联合国教科文组织等。
美国的eDNA战略应利用过去十五年eDNA研究和开发的成果。这样的战略将统一eDNA技术在各机构的应用，促进一致的标准和指南，避免各机构之间政策不一致的问题。这一统一战略将为未来的自然资源管理提供高效的工具，同时确保各机构的实践与科学、技术和行业的动态发展保持同步，创造机制以提高eDNA的准确性、可靠性和灵敏度，扩大物种和栖息地的覆盖范围，同时降低成本。许多联邦法规要求各机构使用最先进的技术来满足任务需求，与时俱进地采用最先进的科学和最有效的方法。
eDNA分析为环境管理提供了改进决策支持的手段。国家战略可以促进确保eDNA分析综合和持续应用的制度条件，使其保持对决策者的重要性，科学可信，并能经受住法律审查的考验（Clark et al., 2016）。共识eDNA应用的增加部署可以加速美国国家优先项目，包括国家海洋和大气管理局（NOAA）的国家海洋测绘、探索和表征战略（NOMEC），到2030年保护30%国家土地和水域的目标（Exec. Order No. 14008, 2021），国家自然评估（Exec. Order No. 14072, 2022），美国地质调查局（USGS）生物威胁计划，内政部国家早期检测和快速响应框架（EDRR）等。
eDNA应用科学共识一般分为三类。
首先，使用qPCR或dPCR检测低密度目标物种已多次证明比传统生物监测工具更灵敏、更快、更便宜。应用包括入侵物种、濒危物种和指示物种的早期检测。
在美国政府内部，环境保护署（EPA）率先使用分子方法进行快速水质评估，与学术实验室和其他机构合作，开发了用于评估粪便指示细菌和污染源标志物的qPCR测定方法；这些方法随后被用于废水流中的COVID检测（Boehm et al., 2022；Soller et al., 2022）。美国地质调查局（USGS）和EPA——以及由十几个联邦机构组成的国家入侵物种委员会（NISC）利用qPCR测定方法开发了强大的入侵物种检测方法（Darling, 2019；NISC, 2022）。美国地质调查局（USGS）、美国鱼类及野生动物服务局（FWS）和几个州级机构领导了监测入侵鲤鱼物种的努力，这项努力是最发达的eDNA监测计划之一，大大提高了我们在大规模检测有害物种的能力（FWS, 2022）。例如，美国地质调查局的研究人员在华盛顿州Elwha河拆除两座大坝后，使用eDNA数据追踪恢复项目的成功，显示本地鲑鱼重新占据上游栖息地（Duda et al., 2021）。
其次，eDNA代谢条形码使得一次评估许多物种和营养级成为可能，这种方法提供了比传统生物监测工具更全面、更快捷的物种丰富度评估（Andres et al., 2023）。这些数据通常在国家环境政策法（NEPA）、州等效法规和其他法规要求的环境评估中是必不可少的。例如，多物种eDNA数据用于海上能源项目的环境评估（BOEM, 2022）。
第三，在许多情况下，eDNA数据可以提供有用的种群大小指数——某物种的生物量越大，其DNA必然越多——虽然绝对意义上的生物体丰度估计仍是活跃的研究领域。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）与学术合作伙伴合作，展示了eDNA在大西洋和太平洋沿岸商业渔业中的定量价值——在这两种情况下，eDNA数据与传统的网具或声学方法估计的物种丰度趋势密切相关。类似地，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的一项研究使用qPCR数据量化了一个受威胁的鲑鱼种群，分子数据捕捉到的趋势与传统围网方法一致性更高。此外，这种物种丰度与DNA数量密切相关的观察结果在不同的DNA分离方法和标记之间是一致的。
美国湿地的一种红蜻蜓。摄影：刘茂胜（绿会BCON工作组专家）©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）
尽管一些联邦机构已经制定了加速eDNA技术常规使用的计划，但不同机构对eDNA数据的接受程度存在差异。例如，环境保护署（EPA）在其快速水质评估方法中广泛使用eDNA技术，而国家海洋和大气管理局（NOAA）则主要在渔业管理中使用。为了促进高效协调，联邦机构需在eDNA数据使用上的一致性和科学严谨性方面开展合作，并制定标准化的工作流程。
美国联邦eDNA战略应推动从样本采集、数据生成到管理的标准化过程，确保产生可重复、值得信赖的数据。这些标准化过程将有助于提升eDNA数据在不同管理应用中的互操作性和数据质量。例如，美国国家标准与技术研究院（NIST）可牵头制定全国范围内适用的eDNA标准工作流程，确保各机构在使用eDNA数据时保持一致性和科学严谨性。
从能力建设的角度来说，将eDNA作为常规管理的信息来源需要在各机构和部门内发展能力。联邦机构在开展基础研究、与学术界和其他研究人员合作以及直接资助方面做了大量能力建设。因此，我们将重点放在深化和利用现有联邦承诺的机制上，以帮助各机构将eDNA技术转变为常规实践。
从研发角度来说，增加和协调联邦eDNA工作的研究与开发将有助于将基因监测从单个项目扩展到常规的系统使用。需要大量支持来促进和资助合作项目，特别是那些首先遵循标准化指南并产生免费可访问协议的项目。具体活动可能包括：1）将eDNA监测整合到现有调查中，例如与现有调查技术相结合（如NOAA和其他机构正在进行的那样），并通过与“金标准”指标（如已知大小的种群的野外样本）进行比较的验证练习。2）投资于可扩展的、自动化的样本采集和分析平台的开发，包括数据处理、可视化和数据管理。3）在美国联邦劳动力中建立执行这些工作并在各机构内建立长期、常规使用的能力。
从公私合作伙伴关系的角度来说，美国联邦努力推动技术发展通常会降低私营部门企业的风险，同时产生公共利益。明确支持在决策中使用eDNA将创造对eDNA设备、供应品和服务的需求，激励私营部门投资，并帮助扩大一个具有巨大就业创造和经济增长潜力的市场部门。推动eDNA培训和劳动力发展可能成为公私合作伙伴关系的关键领域，通过总务管理局（GSA Advantage服务）从首选供应商那里采购试剂和设备的固定价格合同，可以为制造商创造价格确定性和规模激励。此外，明确的外包要求指导意见将有助于新兴的私营部门eDNA服务公司开发高效的分析链。私营企业还可以促进在机构内和机构之间处理和追踪样本的互操作标准。
从基础设施的角度来说，生物监测基因革命的许多基础设施已经存在于全国各地的联邦实验室和大学以及新兴的私营部门。国家战略可以通过帮助克服相关行为者的个性化激励来创造更多的价值。例如：1）为常见eDNA检测提供标准参考材料，如在公共卫生领域和许多其他领域常见的做法。2）为美国各州、地方和部落提供培训——或许包括在战略利益区域设立持久的卓越中心。3）构建互操作数据库，以促进eDNA监测技术的广泛采用，但这些措施往往超出了任何一个机构正常活动的范围。
在沟通上，研究人员、利益相关者、环境管理者和更广泛的社区之间的清晰沟通对eDNA方法的采用成功至关重要。早期对入侵鲤鱼物种的eDNA调查显示了对监测结果的显著关注和误解。制定沟通计划将有助于激发和参与更广泛的社区参与eDNA工作，增加对方法的理解并最大限度地接受。这些沟通指南可以包括采样和分析方法的详细信息、概率调查设计、假阳性/阴性的解释以及在不确定性面前的决策。此外，生成沟通指南的一个关键动机是确保完美不是好事的敌人——过度谨慎有时会限制强大分子工具的应用，因为所有未知问题尚未解决。了解限制和收益、eDNA与传统方法的性能比较以及如何使用由此产生的eDNA数据，可以对如何以及何时应用eDNA方法进行基于风险的评估。改善沟通将提高利用这些工具的舒适度，从而提高其可及性。
从道德伦理方面来说，新的信息来源带来了对其适当和伦理使用范围的担忧。美国的eDNA国家战略可以努力对围绕隐私、信息所有权、潜在误用（及其防护措施）和对敏感物种数据的过滤等问题进行透明的、公开的评估。
在技术需求方面，尽管eDNA分析已经用于管理和研究应用，但现有用途仅暗示了eDNA作为环境信息来源的潜力。要更充分地开发这种潜力，需要在概念模型和适用工具方面取得进展和投资。以下是一些最迫切的技术需求，这些需求对政府并不特定，事实上，世界各地的许多非政府研究团体已经在开发相关信息。尽管对这些努力的回顾超出了目前的范围，但国家eDNA战略包括的优先研究和开发领域中，概念模型、应用工具、数据管理、教育与培训尤其重要。
文章结论
简言之，eDNA分析可能显著改善许多联邦机构的运作方式，使它们能够在（有时是前所未有的）空间和时间尺度上跟踪、报告和存档与自然资源管理相关的生物信息。相关技术已经发展成熟，许多这类应用已经开始投入使用。一个美国国家级的eDNA战略将为公众利益整合和协调这些创新，将自然资源管理带入21世纪。
感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：Kelly R P, Lodge D M, Lee K N, et al. Toward a national eDNA strategy for the United States[J]. Environmental DNA, 2024, 6(1): e432.
思考题 | 举一反三
Q1. 我国目前的eDNA的战略如何？中国科学界、生物多样性决策者可以从美国国家eDNA战略中借鉴到哪些关键经验和策略，以加快我国本土eDNA技术在生物多样性保护和环境监测领域的应用与发展？ Q2. eDNA技术在大规模应用过程中，如何平衡设备和技术成本，以确保对各类研究和管理机构都具有可承受性？上文中提到一个美国的数据“eDNA的成本急剧降低：2001年测序一兆碱基的DNA成本近5300美元，2021年不到0.006美元”。笔者想知道，目前在中国eDNA的监测成本是多少？求了解的朋友们留言区解惑。 Q3. eDNA技术在联邦机构中的广泛应用是否能够有效解决传统生物监测方法所面临的高成本、低效率和技术限制问题？ Q4. 在eDNA技术的推广过程中，如何保证数据的准确性和可靠性，特别是在处理复杂的生态系统和大数据量时？ Q5. eDNA技术的大规模应用是否会对生物多样性保护和环境监测带来全新的道德和伦理挑战？ Q6. 我们知道，关于eDNA目前最多的应用还是水生环境中。那么我们异想天开一下：未来eDNA是否可以扩展其应用范围，以在空气中检测微生物和植物DNA？ |
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新闻源 | Environmental DNA
编译 | 王芊佳
审核｜Samantha
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/edn3.432
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