空气环境DNA(eDNA)鸟枪测序技术实现生物群落快速评估与种群遗传学研究新突破

本研究通过开发空气环境DNA(eDNA)鸟枪测序技术，解决了传统生物监测方法在速度、覆盖范围和遗传信息获取方面的局限性。研究人员采用长读长(ONT)和短读长(Illumina)测序技术，从空气样本中成功获取了包括人类、野生动物和病原体在内的全生物群落遗传信息，实现了2天内完成从采样到分析的快速监测流程。该技术为生物多样性保护、种群遗传学研究和病原体监测提供了革命性工具，特别适用于难以接近或危险物种的研究。

　　

在生物多样性快速丧失和物种分布格局急剧变化的背景下，传统监测方法面临着效率低、覆盖范围有限等挑战。与此同时，气候变化和人类活动正导致病原体分布、抗微生物药物耐药性(AMR)基因传播等公共卫生问题日益严峻。这些全球性危机迫切需要开发新型监测技术，能够在更大时空尺度上快速、全面地记录地球遗传多样性，并监测其变化趋势。

美国佛罗里达大学Whitney海洋生物科学实验室的David J. Duffy团队在《Nature Ecology & Evolution》发表研究，开发了基于空气环境DNA(eDNA)的鸟枪测序技术。该研究通过采集室内外空气样本，结合牛津纳米孔技术(ONT)长读长测序和Illumina短读长测序，建立了从采样到云端生物信息学分析的完整流程，仅需2天即可完成全流程分析。研究还对比了空气eDNA与水、土壤eDNA的分析效果，验证了空气采样在获取复杂生物群落遗传信息方面的独特优势。

关键技术方法包括：(1)采用主动泵吸和被动采样等多种空气eDNA采集技术；(2)结合ONT MinION/PromethION和Illumina NovaSeq平台进行长读长和短读长测序；(3)利用CZ ID云平台进行快速生物信息学分析；(4)开发MetaBioTax流程进行后生动物宏基因组分析；(5)应用人类外显子组捕获技术进行变异分析；(6)采用12S rRNA基因代谢条形码技术进行脊椎动物监测。

研究结果：

1. 空气eDNA中的人类种群遗传学分析
   从都柏林城市空气中成功获取人类遗传信息，通过短读长测序鉴定出8种不同线粒体单倍型。城市空气中人类eDNA含量与受人类污水污染的河流相当，证实空气采样可用于人类群体遗传学研究。

2. 野生动物种群遗传学分析
   从佛罗里达森林空气样本中检测到山猫(Lynx rufus)和金丝蜘蛛(Trichonephila clavipes)的eDNA，并成功进行种群遗传学分析。长读长测序获得完整的蛾类(Carposina sasakki)和火炬松(Pinus taeda)线粒体基因组，证实空气eDNA适用于野生动物种群研究。

3. 空气eDNA中的病原体监测
   从空气样本中检测到禽类病毒(gemycircularvirus 17)的全基因组覆盖，最高达6,483.3倍。都柏林城市空气样本中鉴定出221种潜在人类病原体，涵盖病毒、细菌、古菌和真核生物。

4. 生物勘探和AMR基因监测
   在所有eDNA样本中检测到AMR基因，空气与沙土样本的AMR基因数量相当。研究发现大多数AMR基因具有样本特异性，少数在不同样本间共享。

5. 空气eDNA的人类基因组变异检测
   通过杂交捕获和短读长深度测序，从室内空气样本中检测到217,149个人类单核苷酸多态性(SNPs)，证实空气eDNA可用于人类遗传变异研究。

6. 疾病媒介和害虫监测
   成功从空气中检测到蚊子和蠓等疾病媒介物种的DNA，以及蟑螂、火蚁和白蚁等城市害虫。不同测序平台对11种害虫物种的检测结果高度一致(R²=0.994)。

7. 宿主-寄生虫评估
   从空气样本中同时检测到蜜蜂及其寄生虫瓦螨(Varroa destructor)的DNA，为蜂群健康监测提供新方法。

8. 过敏原和麻醉剂监测
   空气中检测到花生(Arachis hypogaea)DNA，与季节性树木花粉变化相关。都柏林城市空气中还检测到大麻(Cannabis)和迷幻蘑菇(Psilocybe)DNA。

9. 门类水平评估
   空气样本中后生动物DNA比例高于水生样本，节肢动物是最主要的动物门类。一周空气采样检测到的真核生物种类多于原核生物。

10. 快速生物多样性评估
    结合长读长测序和云端分析，实现从空气、水、土壤等样本中快速获取生物多样性信息。沙滩样本物种多样性最高，而空气样本在原生动物多样性方面表现突出。

研究结论与意义：
该研究证实空气eDNA鸟枪测序技术能够快速、全面地监测生物多样性和遗传变异，具有以下重要意义：(1)实现非侵入性全生物群落监测，不受特定生命域限制；(2)建立从采样到分析的2天快速流程，接近实时监测；(3)同时支持物种识别、种群遗传学、病原体监测等多种应用；(4)空气样本在真核生物和后生动物检测方面优于水体和沉积物样本；(5)长读长和短读长测序结果具有良好一致性。

该技术为应对生物多样性危机、传染病监测、AMR基因追踪等全球挑战提供了创新解决方案。特别是其快速、全面的特点，使其在突发公共卫生事件响应、入侵物种监测等领域具有重要应用前景。研究也提出了人类遗传信息从环境样本中获取的伦理考量，呼吁建立相关政策框架。随着测序技术的便携化和分析流程的优化，这项技术有望实现类似科幻作品中"三录仪"的实时生物监测设备愿景。