本文介绍一种通过从运营中的渡轮及其他商业船只采集海水样本并进行过滤,从而获取海洋环境DNA(eDNA)的新方法。
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本文介绍一种通过从运营中的渡轮及其他商业船只采集海水样本并进行过滤,从而获取海洋环境DNA(eDNA)的新方法。
用于从环境DNA痕迹中获取信息的遗传工具,已在靶向性和广泛分类学水平的生物多样性表征中得到充分确立。然而,在海洋环境中,从难以到达的区域(如深海或远海海域)采集环境DNA样本仍可能存在限制。利用定期航行的渡轮或穿越广阔开阔海域的商船,可作为采集环境样本的重要机会性平台。这种方法优势显著,不仅能够在任何天气条件和全天任何时段进行数据采集,而且由于航线固定,可实现长期重复采样,同时大幅降低费用和燃料排放。先前的研究已证明该方法可行且成功。然而,从这些大型船舶内部获取样本的过程可能并非即时可行。本文详细阐述了如何在大型船舶上准备、组织并实施海水样本的采集与过滤过程。
近几十年来,环境DNA(eDNA)分析,即检测生物体在环境中遗留的遗传物质,已迅速发展成为监测淡水和海洋动物群落的一种有前景的工具。这种分子技术能够在单个样本中同时鉴定多个分类单元(即采用宏条形码方法),从而实现对栖息或经过采样区域的生物群落的检测1,2,3,4,5。
目前,真正的挑战在于到达采样点,因为在大范围地理区域内采集样本往往在经济上和/或后勤上不可行,导致远洋区域的采样通常比更容易进入的沿海区域更少6。利用渡轮或其他商业船只可以实现高度可重复的采样断面,因为这些船只遵循特定的航线,通常在季节内保持稳定,并覆盖广阔区域7,8。此外,使用渡轮航线作为采样手段,可以在一天中的任何时间以及每个季节进行样本采集,不受天气和海况的影响,同时还具有众多其他优势(补充图1)。初步研究已证明该方法在评估生物多样性指数方面的可行性和准确性9,10。水样可通过渡轮机舱内的引水管从发动机上游的海水冷却水系统中采集。LIFE-CONCEPTU MARIS(地中海鲸类与远洋海龟保护:可持续恢复管理行动)是首个大规模实施该概念验证的项目:该项目计划在两年内采集500份样本,并联合了不止一家而是多家渡轮公司和承运商,从而能够揭示潜在的关键问题,并优化采样策略,以更好地适应船上可能遇到的各种不同环境。下文将介绍该项目中与大规模海洋环境DNA样本采集相关的组成部分(如需了解项目详情,请访问 https://webgate.ec.europa.eu/life/publicWebsite/project/details/5707)。
决定利用定期渡轮开展采样活动,意味着必须在实际采样前采取一些措施,而实际采样正是本研究直接关注的内容。在此,我们简要提及从任何商业船只上开展船上采样之前必须完成的准备工作。
这是一个不容忽视的方面,它决定了采样工作的成功与否。航运公司属于商业实体而非科研机构,因此它们既不熟悉也无需了解拟在船上开展的科学研究的目标与目的。这意味着必须经历一个关键而敏感的初始阶段,即需要由航运公司的高层管理人员来传达并阐明所提议科学项目的目标,而这些目标可能是多学科的。以CONCEPTU MARIS项目为例,之所以能够实现这一目标,得益于长达数十年的合作关系,在此期间,这些航运公司已参与过视觉监测项目(例如固定航线断面监测 [FLT]7),从而建立了相互尊重的关系,这种关系对于获得进入机舱的许可至关重要,而进入机舱是本研究采样方法所必不可少的前提条件。
CONCEPTU MARIS 项目采用的采样方式分为两种:既在固定采样站(FSS,见下文)进行采样,也在发现目标生物时进行采样 "罕见" 鲸类动物。这些物种在 FTL 样线调查期间被观察到的频率最低11,即:普通海豚(Delphinus delphis),柯氏喙鲸(Ziphius cavirostris),领航鲸(Globicephala melas),里氏海豚(Grampus griseus),抹香鲸(Physeter macrocephalus)和长须鲸(Balaenoptera physalus)。仅当目视普查团队(FLT团队)报告发现稀有物种的时间比任意一次FSS早超过半小时或晚超过半小时时,才额外采集一份水样。与目击记录同步进行的采样必然均为昼间采样。
固定采样站(FSS)的地理位置在各次航次中保持不变,需事先确定并获得整个工作团队的确认。FSS地理点的选择依据如下:1)根据以往观测或文献资料,选择具有生物学研究价值的区域;2)优先考虑在测深图上显示生境变化的点位(如大陆架边缘);3)对指定航线进行均匀覆盖,因此选择大致等间距的采样点(相距约35-45海里),以确保覆盖整个航线,并兼顾夜间样品的采集。
为确保相邻样本在一天中的不同时间采集,并且两次连续采样之间有足够时间完成样本处理,建议在去程和返程途中分别采集相邻FSS的样本。这意味着,如果FSS按照实际采样的时间顺序编号,它们在地图上的排列将不会是连续的。例如,若选择了6个FSS,则其中3个在去程途中采样,另外3个在返程途中采样。它们在地图上沿路线的顺序将为 PortAFSS1-FSS6-FSS2-FSS5-FSS3-FSS4-PortB,其中三个采样站为斜体(FSS4, FSS5 和 FSS6 在返程期间接受调查 旅程 (参见 图1).
每个单个FSS都有一个唯一的识别编号(即在不同路线上识别的FSS之间不会共享相同的识别编号)。编号在首次对FSS进行采样时分配,并按顺序连续编号。因此,在项目结束时,编号较小的FSS将是那些已测试多年或拥有最久远数据的FSS。
每个样品由在各个采样站采集的大约13升海水组成。海水直接从渡轮的取水管线中倒入 "盒中袋" (BiB)容器,即无菌铝箔复合塑料袋,直至样品处理(见下文)。Bag-in-Box取样系统(BiBSS)的特征与优势由Valsecchi等(2021)进行了详细阐述。9 并在本文中一并报告 图2 为方便起见。
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1. 在实验室中做好准备
2. 登船前的准备工作
3. 水样采集(在机舱内)
注意:图4展示了海水样品采集的各个阶段。
4. 海水样品过滤
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按照所述方案执行操作后,操作人员将收集到数量等于FSS数量乘以3个重复的滤膜。每张滤膜会在其两侧之一上保留生物痕迹(环境DNA)。eDNA提取后的分析步骤在很大程度上取决于具体的研究问题、目标生物和研究目的。例如,在Valsecchi等人9开展的初步研究中,所描述的eDNA采集方案支持设计一项可重复且系统的海洋大型动物调查。通过采用宏条形码技术并选择两个不同的脊椎动物特异性标记进行分析,成功检测出多种脊椎动物物种(硬骨鱼类、软骨鱼类和鲸类)。这些结果使我们能够推断物种的相对丰度(图13)及其空间分布,从而重建采样路线沿线的脊椎动物群落组成及其营养结构9。这仅是一个示例,因为通过该方法获得的海洋环境DNA既可用于即时分析,也可在多年后进行分析(所采集的eDNA可存入专用样本库以供未来使用),适用于任何生物类群(真菌、细菌、无脊椎动物、浮游植物)的研究。
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由于实验方案步骤简单直接,在商业渡轮上操作时仍需考虑一些相关事项。冷却水取样管通常位于机舱区域,该区域的进入可能受到限制或需要事先获得授权。因此,确保获得相应授权并配备适当的个人防护装备至关重要(图4)。此外,水样的采集与过滤应尽可能在无菌条件下进行,以避免任何污染。在过滤前,维持冷链条件进行样品保存和转运是另一个必须确保的关键步骤。最好在采集后立即过滤袋装水(BiB)中的水样,这也便于样品运输。然而,若无法立即过滤,样品可在不影响其质量的情况下保存长达2周9。为有效保存样品,BiB在运输过程中应置于阴凉处,并避免阳光直射。此外,水样绝不可冷冻,以免破坏细胞组分,导致胞外DNA释放,而胞外DNA在过滤过程中更容易丢失。
尽管许多海洋环境DNA(eDNA)研究依赖于小体积(1–2 L)的海水样品,但我们选择过滤大体积(12 L)的海水样本(直至达到滤膜饱和),以尽可能多地保留eDNA,从而支持更多当前和未来(样品储存于海洋eDNA库MeDB)的分析。BiB的整个体积被均分为三个...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们衷心感谢那些允许本文所述方法得以测试和开发的人士,特别是 Antonella Arcangeli(ISPRA),她数十年来一直领导着“海上渡轮监测”(FLT)项目,通过密集的渡轮网络对地中海(以及非地中海)的鲸类动物进行持续的视觉监测,并且她坚信在渡轮航线中搜寻DNA这一雄心勃勃的设想;感谢来自科西嘉与撒丁尼亚渡轮公司(Corsica and Sardinia Ferries)的 Cristina Pizzutti,她满怀热情地接受了这一挑战,为我们首次在该公司船队的一艘运输船上测试该方法提供了后勤支持(同时也接待了前来拍摄的视频制作团队);感谢 Fulvio Maffucci 为协调多家航运公司、获取船上采样许可所付出的努力。我们感谢 Roberto Lombardo,他的硕士论文项目开启了对环境DNA与渡轮结合应用的探索。最后,我们感谢那些允许我们登船并开展环境DNA采样的航运公司,这些支持源于 LIFE-CONCEPTU MARIS 项目,使我们有机会在地中海多艘不同船只上测试本方法:Grimaldi Lines、Minoan Lines、Tirrenia、Balearia、Corsica and Sardinia Ferries 以及 Grandi Navi Veloci(GNV)。当前由欧盟资助的 LIFE-CONCEPTU MARIS 项目,不仅验证了该方法大规模可复制性的概念可行性,同时也资助了本视频出版物的制作,使得标准化操作规程(SOP)能够广泛传播至更广泛的科学界和公众。我们感谢 Mattia Nocciola 和 Francesco Tommasinelli(Triton Research)提供了部分本操作规程的影像资料。最后,我们感谢过去五年中所有与我们合作并协助我们完成采样的船员们。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4.7 厘米直径滤膜 | Biosigma S.p.A. | https://www.biosigma.com/ | 孔径为 0.45 μm 的滤膜,独立包装 |
| 4/5 升抽滤瓶 | Duran | https://www.duran-bottle-system.com/ | 5 升玻璃抽滤瓶,带塞 |
| 吸水纸垫 | Advantec MFS, Inc. | https://www.advantecmfs.com/category/absorbent-pads-1 | 滤纸材质吸水垫,尺寸 47 毫米 |
| 袋中袋(BiB) | G.M.V. Agricenter S.r.l. | https://www.gmvagricenter.it/ | 10 升袋中袋,带出水阀 |
| 过滤筒 | Sartorius AG | https://shop.sartorius.com/in/industrial-microbiology-filtration-devices/biosart-100-monitors/p/M_Biosart_100_Monitors# | Biostart 100 Monitor 过滤筒,包含 0.45 μm 滤膜 |
| 封口膜 | Merck | https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/product/sigma/hs234526a?utm_source=bing&utm_medium= cpc&utm_campaign=all+product_ dsa_WW_%28bing+ebizpfs%29& utm_id=626946489&utm_content= 1166583023365595&msclkid= d2b55b82440b1aef56fc3ca803c 6486f&utm_term=%2Fproduct%2F | 4 英寸 × 125 英尺卷装实验室封口膜 |
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