基于蚊虫血餐分析的无脊椎动物源性DNA技术在美国佛罗里达州DeLuca保护区脊椎动物多样性监测中的应用

《Scientific Reports》：Monitoring biodiversity and detection of diverse vertebrate species with mosquito blood meal analysis at the DeLuca Preserve, Florida, USA

本刊推荐：为应对传统生物多样性监测方法耗时费力、专业性强的挑战，研究人员开展了利用蚊虫血餐分析进行脊椎动物多样性监测的研究。通过对佛罗里达州DeLuca保护区2051份蚊虫血餐的DNA条形码分析，成功检测到86种脊椎动物，涵盖两栖类、鸟类、哺乳类和爬行类。研究证明蚊源性iDNA技术可作为高效的单一样本采集方法，为生物多样性保护提供了创新性监测工具。

　　

在全球生物多样性快速丧失的背景下，有效的监测手段对于保护工作的开展至关重要。然而，传统的脊椎动物野外调查方法往往需要投入大量的人力物力，且对研究人员的分类学专业知识要求极高。随着分子生态学和DNA测序技术的发展，环境DNA（environmental DNA, eDNA）技术应运而生，为生物多样性监测提供了新的思路。其中，无脊椎动物源性DNA（invertebrate-derived DNA, iDNA）技术通过分析以脊椎动物为食的无脊椎动物（如吸血昆虫）体内残留的宿主DNA，来间接探测脊椎动物的存在。尽管水蛭、腐肉蝇等已被较多地研究作为iDNA的来源，但分布广泛、数量庞大且宿主多样的蚊虫（Culicidae）在这方面的潜力尚未被充分探索。

为了验证利用蚊虫血餐进行脊椎动物多样性监测的可行性，并评估不同蚊种在检测效率上的差异，由Lawrence E. Reeves领衔的研究团队在美国佛罗里达州的DeLuca保护区开展了一项为期八个月的实地研究。这项研究旨在回答两个核心问题：一是蚊虫集体能在多大程度上反映一个地区的脊椎动物多样性；二是不同的蚊种在检测脊椎动物方面是否存在效率差异。研究成果最终发表在《Scientific Reports》上。

研究人员主要运用了针对性的蚊虫采集、形态学鉴定、基于FTA卡的血餐DNA保存、HotSHOT法DNA提取、以及针对脊椎动物细胞色素c氧化酶亚基I（Cytochrome c oxidase subunit I, COI）基因的DNA条形码（DNA barcoding）扩增与测序等关键技术方法。样本来源于DeLuca保护区的四种生境（柑橘林、灌丛、森林、湿地）在三个季节（冬季、春季、夏季）的系统采集。

研究结果

1. 蚊虫采集与宿主鉴定概况

研究期间共采集到54,637只蚊虫，其中血餐雌蚊3,508只（占6.4%）。成功鉴定出宿主来源的血餐样本共2,051份（占血餐蚊的58.4%），代表了21个蚊种。宿主DNA的鉴定成功率与血餐消化程度密切相关，新鲜血餐（BF1）的鉴定成功率高达90.0%，而高度消化血餐（BF3）则降至19.9%。

2. 检测到的脊椎动物多样性

通过分析这些血餐，共检测到86种脊椎动物，涵盖了所有四类陆生脊椎动物：7种两栖动物、57种鸟类、14种哺乳动物和8种爬行动物，分属22个目。检测到的物种具有高度的多样性，包括大型和小型物种、夜行性和昼行性物种、迁徙性和留居性物种、地栖性、树栖性和半水生性物种，以及濒危、入侵、隐秘和稀有物种。例如，包括地鼠龟（Gopherus polyphemus）、棕安乐蜥（Anolis sagrei，入侵种）、古巴树蛙（Osteopilus septentrionalis，入侵种）和东部钻石背响尾蛇（Crotalus adamanteus，稀有种）等。

3. 蚊种的宿主关联性

不同蚊种表现出明显的宿主偏好性。例如，Culex pilosus主要取食安乐蜥属（Anolis）蜥蜴（85%的血餐来源于此）；Psorophora columbiae则高度专一于白尾鹿（Odocoileus virginianus）（91.3%的血餐）。而像Cx. nigripalpus, Cx. erraticus 和 Culiseta melanura 这样的蚊种则取食范围更广，涉及多个脊椎动物类群。Cx. nigripalpus是样本中数量最多的蚊种（1,024份血餐），检测到了63种脊椎动物，占总检测物种数的73.2%。

4. 样本覆盖度与多样性分析

对所有蚊种合并数据的样本覆盖度分析显示，在物种水平（q=0）上，覆盖度为81.8%，意味着可能还有约18.2%的被蚊虫取食的脊椎动物物种未被检测到。然而，在考虑个体数量（q=1）和优势种（q=2）水平时，覆盖度分别达到98.8%和100%，表明未被检测到的物种很可能是群落中的稀有物种。物种积累曲线显示，随着样本量增加，仍有新的脊椎动物物种被发现的趋势，尤其是鸟类和爬行类，其曲线尚未达到平台期。

5. 宿主检测效率

研究提出了“宿主检测效率”这一新指标（宿主物种丰富度的平方/分析的该蚊种血餐数量），用以衡量不同蚊种在脊椎动物物种检测方面的“性价比”。结果显示，蚊种间效率差异显著。Cx. melanura的效率最高（7.47），其次是Cx. erraticus（5.16）和Cx. nigripalpus（3.89）。而一些宿主专一性强的蚊种，如专食哺乳动物的Ps. columbiae，其效率则很低（0.10）。这表明在旨在最大化检测物种多样性的调查中，应优先针对像Cx. melanura这类高效蚊种进行采集和分析。

结论与意义

本研究有力地证明了基于蚊虫血餐的iDNA分析是一种高效、非侵入性的脊椎动物多样性监测工具。通过在单一地点使用一种采样方法（针对血餐蚊的采集），研究人员成功探测到了一个高度多样化的脊椎动物群落，其物种组成和生态特征涵盖了传统调查方法难以同时覆盖的多个维度。研究强调，蚊虫并非均质的“环境采样器”，不同蚊种因其独特的宿主关联性，在脊椎动物检测中扮演着不同的角色。

该研究的重要实践意义在于为生物多样性监测提供了优化策略。通过前期调查了解当地蚊虫区系，特别是那些宿主检测效率高、取食范围广的蚊种（如本研究中的Cx. melanura, Cx. erraticus 和 Cx. nigripalpus），并采用针对性的采集方法（如休息诱集器和大型吸蚊器），可以显著提高监测的效率和成本效益。此外，由于每份血餐通常代表一个个体动物的血液样本，蚊源性iDNA技术不仅能够确认物种存在，还潜在地为保护遗传学（如个体识别）、病原体监测（xenosurveillance）等研究提供了珍贵的遗传物质来源，这是水或空气eDNA样本所不具备的优势。

当然，该方法也存在局限性，如对完全水生、穴居或栖息地特殊的脊椎动物探测能力可能不足，且需要一定的专业技能进行蚊虫采集和鉴定。未来，随着测序技术的进步，如使用高通量测序处理混合血餐样本，有望进一步提升检测的灵敏度和通量。

总之，这项研究为利用蚊虫这一常见生物资源进行大规模生物多样性评估开辟了新途径，特别是在资源有限但生物多样性丰富的地区，显示出巨大的应用潜力。它提醒我们，自然界中微小的生命形式，可能正携带着解读其周围宏观世界多样性的关键密码。