今年全國兩會期間，曾在“部長通道”上亮相的一款小小芯片引發了公眾關注。生態環境部部長黃潤秋在展示芯片時介紹，這是一塊環境DNA(eDNA)測序芯片，其記錄了江豚、胭脂魚等水生生物的DNA信息，體現了長江十年禁漁的成效。
eDNA技術是通過提取水、底泥等環境樣本中生物留下的“基因痕跡”，與標準DNA序列比對，精準識別物種的“黑科技”。這塊芯片怎樣“摸底”長江水生生物的DNA?又會如何改變環境保護工作?帶著這些問題，科技日報記者3月16日采訪了相關專家。
擁有環境監測“超能力”
“水生生物種類多、分布廣，對環境變化敏感，監測水生生物能夠綜合反映水生態系統健康狀況，為水污染防治和生態修復提供科學依據。”湖北省生態環境監測中心站副站長、正高級工程師劉真貞告訴記者，傳統的水生生物調查方法主要依靠人工觀察、拖網捕撈和形態學鑒定等，時間和人力成本較高。
“如果能對水生生物釋放到環境中的樣本(包括皮膚、代謝細胞、分泌物甚至腐爛體等)開展DNA測序，就能達到物種監測的目的。”劉真貞說，黃潤秋部長展示的芯片應用于基因測序設備中，能從采集到的環境樣本中快速、準確地識別出生物物種。
這塊芯片由華大智造自主研發，搭載在G99基因測序儀上使用。華大智造多組學研發中心副總監王逸叢告訴記者，為了加強eDNA技術在水生生物監測中的“超能力”，華大與中國科學院水生生物研究所聯合湖北省生態環境監測中心站，在武漢東湖6個位點篩選出適用于東湖魚類多樣性監測的遺傳標記，共檢測到隸屬于16個科、36個屬的51種魚類，為eDNA宏條形碼測序技術應用于東湖魚類多樣性監測和研究奠定了基礎。
實現“一捧水知魚種”
“生物體釋放到環境中的生物信息非常痕量，eDNA測序技術近年來持續發展，已具備較高的檢測精準度與可靠的參考價值。”湖北省生態環境監測中心站吳冬晴博士介紹，在實際工作時，環境監測人員只需采集不同點位的“一捧水”樣本，就可以在基因測序分析系統中獲得水生生物的檢測結果。
“為了實現精準監測，華大智造將納米球、探針錨定聚合測序等自主核心技術集成進芯片和設備中，能夠對低質量、低濃度DNA進行序列讀取，有效助力復雜生物群落結構解析和珍稀物種及外來入侵物種監測。”王逸叢介紹，核心技術的應用讓測序芯片具備捕捉目標基因組信息的“敏感神經”，且能有效過濾環境中的污染物質和干擾信息。
“我們還與科研團隊一起構建了DNA條形碼參考數據庫，為物種高效搜尋起到‘索引’作用。”王逸叢介紹，條形碼通過將較短的DNA序列作為物種快速鑒定的標記，建立起DNA序列和生物物種間一一對應的關系，并在此基礎上實現“一捧水知魚種”的目標。
水環境保護的“無聲哨兵”
“傳統物種調查方法易對生物造成驚擾，難以精準掌握珍稀物種的種群動態。而eDNA技術為環境保護增添了一位‘無聲哨兵’。”吳冬晴說，在不直接接觸的情況下，通過對江豚、胭脂魚等珍稀物種殘留的微量DNA進行定性甚至定量分析，研究人員能監測到它們的分布范圍及種群相對豐度的動態變化，實現“默默”守護。
“針對食蚊魚、福壽螺等入侵物種，我們也能夠通過測序信息，精準追蹤其群落擴張趨勢，及早預警、提前布防，筑牢河流生態安全屏障。”吳冬晴說。
為精準識別物種，提升追蹤保護珍稀瀕危物種、監測外來物種入侵的質量和效率，華大智造基于G99基因測序儀研制了一整套自動化樣本制備系統與分析軟件，幫助生態環境監測人員實現從水樣到分析報告的全流程一站式監測，提供可靠數據。王逸叢介紹，相關技術已經廣泛應用于湖北、浙江、陜西、廣東等地的江湖魚類監測、浮游生物分析、沙漠土壤微生物監測等多個場景。
“在水面之上，基因測序芯片賦能的新技術同樣令人期待。從環境中的微量遺傳物質中，我們還可捕捉候鳥經停的生態印記，反演其遷徙路徑與活動范圍，為傳統觀測手段難以覆蓋的環節提供全新視角。”吳冬晴說，隨著環境監測邁入數字化、信息化、智能化階段，人們將能夠通過更精確、更高效和更經濟的新技術更好地理解和保護自然。
(科技日報北京3月16日電)
責任編輯：陸迪
