《Environmental DNA》：Improving Biodiversity Surveillance in Arid Systems With Environmental DNA: Detection of Sceloporus Lizards in Texas
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干旱地（arid lands）占地球陆地生境的40%以上，却是全球研究最少的生态系统之一，这限制了相关保护与管理措施的有效实施。因此，研究人员旨在开发针对濒危沙丘鼠尾草蜥蜴（dunes sagebrush lizard）*Sceloporus arenicol
干旱地（arid lands）占地球陆地生境的40%以上，却是全球研究最少的生态系统之一，这限制了相关保护与管理措施的有效实施。因此，研究人员旨在开发针对濒危沙丘鼠尾草蜥蜴（dunes sagebrush lizard）*Sceloporus arenicolus*及其近缘非濒危种南部草原蜥蜴（southern prairie lizard）*S. consobrinus*的物种特异性环境DNA（environmental DNA, eDNA）检测方法。研究首先通过实验室实验观察这些适应干旱环境的蜥蜴的eDNA释放速率，随后在自然生境中进行小规模的eDNA检测试点。在实验室和田间试验中，eDNA检测均较为罕见，且eDNA浓度较低。在实验室试验中，eDNA检测（即存在/不存在）与孵育时间无统计学关联，尽管检测率在最初12小时内略有上升，随后在24小时时间点下降。不同个体间的检测率也无差异。然而，检测率与所使用的DNA提取方法显著相关，CTAB提取的样本中阳性数量（54.5%; n=24）是Qiagen PowerMax Soil（27.3%; n=12）或Machery Nagel NucleoSpin Soil（27.3%; n=12）试剂盒的两倍。考虑连续响应变量（即eDNA浓度）时，模型选择有限地表明时间和提取方法可能影响eDNA浓度，但这两个因素单独来看均无统计学显著性。在田间应用中，虽然研究人员未在覆盖板（coverboard）下目视确认到任何蜥蜴（但观察到了尾拖痕迹），但成功检测到了*S. consobrinus*的eDNA。总体而言，研究结果使研究人员对eDNA分析在干旱地区生物多样性研究与管理中的潜在价值持谨慎乐观态度，并为该领域的持续研究奠定了基础。
**利用环境DNA改善干旱生态系统生物多样性监测的研究解读**
干旱地区（arid lands）占地球陆地表面积的40%以上，支撑着全球近20%的人口，却长期被视为研究不足的生态系统。气候变化和集约化人类土地利用加剧了这些地区的栖息地退化，而公众对干旱及沙漠生态系统的负面认知——认为其贫瘠、不适宜生命生存——进一步加剧了研究空白。然而，现有调查表明干旱地区实际上蕴含着独特、珍贵且丰富的生物多样性，因此理解和有效管理干旱地区生物多样性成为保护工作的关键环节。传统的生物多样性监测方法在干旱生态系统面临诸多挑战：地形崎岖、物种稀少、行为隐蔽且活动期有限，这些因素共同导致对物种分布的认知不足。爬行动物作为干旱生态系统中的标志性类群，其研究尤为迫切——该纲目是全球最受威胁的类群之一，超过25%的物种面临灭绝风险，过去50年间平均种群数量下降超过50%。
在此背景下，研究人员开展了这项发表于《Environmental DNA》的研究，旨在评估环境DNA（environmental DNA, eDNA）技术应用于干旱地区爬行动物监测的可行性。研究以德克萨斯州特有的濒危沙丘鼠尾草蜥蜴（*Sceloporus arenicolus*，美国鱼类及野生动物管理局2024年列入濒危物种）及其近缘非濒危种南部草原蜥蜴（*S. consobrinus*）为对象，开发了物种特异性eDNA检测方法，并通过实验室控制实验和田间试点验证了检测效果。研究结论表明：尽管eDNA检测率较低，但在实验室和自然条件下均能实现物种特异性检测，这为干旱地区稀有、隐蔽爬行动物的监测提供了新的技术可能，对濒危物种*S. arenicolus*的保护具有重要实践意义。
研究样本来源包括：2023年8月从德克萨斯州拉伯克县两处地点（Lubbock Lake National Historic Landmark和Mae Simmons Outer Loop Trails）采集的3只雄性*S. consobrinus*用于实验室实验；2024年5月在Lubbock Lake Landmark（*S. consobrinus*栖息地）和Monahans Sandhills State Park（*S. arenicolus*和*S. consobrinus*共存栖息地）开展的田间试验。主要关键技术方法包括：（1）针对线粒体NADH脱氢酶亚基1（ND1）基因设计物种特异性探针法定量PCR（qPCR）检测体系；（2）实验室长期eDNA释放实验（1、6、12、24小时孵育）和瞬时eDNA释放实验（flume装置模拟快速移动）；（3）三种DNA提取方法比较——CTAB-氯仿法、Qiagen PowerMax Soil试剂盒和Machery Nagel NucleoSpin Soil试剂盒；（4）田间覆盖板（coverboard）诱集结合两种采样策略——表层土壤抓取法和滚筒擦拭法（paint roller method）；（5）基于Tobit回归的统计学分析处理高比例零值的eDNA浓度数据。
**研究结果**
**扩增子检测结果**
通过gBlock基因片段（gBlock Gene Fragments）系列稀释确定：*S. arenicolus*检测体系的定量限（limit of quantification, LOQ）为6拷贝/微升，检测限（limit of detection, LOD）为1拷贝/微升；*S. consobrinus*的LOQ和LOD分别为66和1拷贝/微升。*S. consobrinus*标准曲线显示良好的定量能力（R
2=0.998±0.003，扩增效率=99.467%±4.472%）。所有反应中未检测到*S. arenicolus*信号。内部阳性对照（TaqMan Exogenous Internal Positive Control）检测未发现PCR抑制现象。
**实验室实验**
Sanger测序确认实验个体为*S. consobrinus*。瞬时释放实验未检测到任何eDNA信号。长期释放实验中，总体检测率为：1小时19.4%（n=7）、6小时33.3%（n=10）、12小时50%（n=18）、24小时43.3%（n=13）。G检验显示检测存在与否与孵育时间无统计学关联（p=0.038，Holm-Bonferroni校正α=0.025），不同个体间亦无差异（p=0.330）。但检测率与提取方法显著相关（p=0.010），CTAB法阳性率（54.5%）是两种商业化试剂盒（各27.3%）的两倍。以浓度为连续变量的Tobit回归分析中，截距模型为最优模型（AICc=310.12），但时间模型（ΔAICc=6.27）、方法模型（ΔAICc=8.67）和时间+方法模型（ΔAICc=9.06）与之统计相似。简单线性模型进一步分析表明，单独的时间和因素均未达统计学显著性，但时间+方法联合模型中时间为显著预测因子（p=0.0385），浓度呈现先升后降的趋势。
**田间试验**
覆盖板下观察到蜥蜴尾拖痕迹，但无法鉴定物种。Lubbock Lake Landmark站点未检测到*S. consobrinus* eDNA。Monahans Sandhills State Park站点在覆盖板部署后，通过滚筒擦拭法在两处检测到*S. consobrinus* eDNA（定量分别为24,378和18,087扩增子拷贝/微升），Sanger测序确认物种身份。该站点未检测到*S. arenicolus* eDNA。
**讨论与结论**
研究人员认为eDNA分析能够受益于干旱地区生物多样性研究，但需谨慎乐观。Monahans Sandhills State Park的成功田间检测表明，即使在没有目视确认的情况下，eDNA也能补充传统调查方法。然而，无论是实验室还是田间条件，检测率均较低，这可能与干旱环境的高温、强UV辐射加速eDNA降解有关。爬行动物的角质化表皮限制了连续细胞脱落，进一步减少了eDNA释放量（"脱落假说"， shedding hypothesis）。与温带生态系统相比，半干旱环境的eDNA检测更为困难，需要针对更低脱落速率和更快降解速率优化采样方案。
方法学比较显示，CTAB法在定性检测（存在/不存在）上表现更优，而Qiagen PowerMax Soil在定量回收上倾向更高。这一差异可能源于不同方法对eDNA片段大小的适应性：剧烈珠磨可能破坏小片段eDNA，却有助于释放大片段中的DNA。未来研究需明确*Sceloporus*属蜥蜴eDNA的具体组成（脱落皮肤、股腺分泌物、尿酸盐等），并通过粒径分级实验优化采集策略。
该研究为干旱地区爬行动物eDNA监测奠定了方法学基础，强调了在简化的实验室条件下评估检测性能对于预测野外挑战的重要性。研究人员建议未来可通过以下途径改进：在繁殖季节增加采样强度（此时雄性股腺分泌增强）、利用覆盖板集中DNA、开发化学引诱剂刺激eDNA释放，以及实施针对性校正采样方案以降低假阴性率。
**研究结论**
总体而言，研究人员对eDNA分析在生物多样性研究与管理中的潜在价值持谨慎乐观态度；但其在干旱地区陆生爬行动物中的广泛应用仍处于起步阶段。具体而言，在以*S. consobrinus*作为*S. arenicolus*替代物种的eDNA检测中，研究人员的检测体系展示了物种特异性及灵敏检测的潜力。因此，如果进一步测试和完善，eDNA分析可为*S. arenicolus*等稀有且隐蔽物种的检测提供工具。然而，实验室观察中不完善的检测率以及野外检测的缺失警示我们，eDNA分析并非*S. arenicolus*监测的万能之策。明显较低的eDNA释放速率表明需要高采样强度以促进检测并可能减少假阴性。进一步研究覆盖板或其他方法的使用以刺激eDNA释放并在景观水平上靶向采集，将有助于发展稳健的eDNA方法。研究人员希望本研究及其他研究能够激励而非阻碍后续探索。数篇近期综述已为eDNA分析领域的整体创新和路径规划提供了框架，研究人员期望本研究和讨论能为爬行动物及干旱系统中eDNA应用的具体研究方向做出贡献。
