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“生物多样性汤”二代来袭 占领生物多样性监测高地

  我国是生物多样性丰富大国之一。据国家林业和草原局统计,我国目前各类保护地总数达1.18万个,占陆域国土面积的18%、领海的4.1%。自然分布的野生动物中,脊椎动物约7300余种,其中兽类564种、两栖类416种、鸟类1445种、爬行类463种,其余为鱼类;已定名昆虫约13万种;高等植物3万多种,其中特有植物种类约1.7万余种。面对丰富物种,实时生物监测非常有必要。生物多样性监测是在时间尺度上对生物多样性的反复编目,从而确定其变化。它不仅了解生物多样性情况和生态分区范围,还在保护生物多样性、评价环境影响等问题上提供有效数据。
 
  近日,中国科学院昆明动物研究所俞维理研究员及其团队改进了快速监测生物多样性的高质量条形码技术,该项结果以《生物多样性汤II:更低错误率的高通量条形码流程》为名发表在国际期刊《生态学与进化方法》。
 
  其实早在2012年,俞维理研究员及其团队对区域内昆虫给样本的混合DNA测序,实现了对该区域的生物多样性编目和监测,并将“生物多样性汤”这一高通量条形码技术流程的研究论文发表在国家期刊《生态学与进化方法》。如今通过优化多个环节,生物多样性监测技术又上一个台阶,“生物多样性汤”二代来临。
 
  高通量测序技术监测  获取大量生物数据
 
  “生物多样性汤”是一种高通量测序技术的新颖的生物多样性监测手段,可以同时分析大量的混合性生物样本,获取地面生物多样性数据。
 
  每种生物都含有DNA,任意的DNA碎片都可以被用于生物物种鉴定,进而实现生物监测。“生物多样性汤”即利用分子手段和测序技术分析混合生物的DNA样本,还原物种信息及多样性特征,包括α多样性指数、β多样性指数等。
 
  “生物多样性汤”助力下,研究人员探究云南自然保护区内不同海拔段内蛾类的生物多样性,其结果可显示出蛾类的群落组成随海拔和采样层次的变化趋势。不仅如此,“生物多样性汤”还能分析真菌多样性对朽木分解的影响:真菌种类越多,朽木的二氧化碳释放速率越低,朽木腐朽得更慢。
 
  降低高昂数据成本  推进多学科共发展
 
  目前来说,生物多样性监测包括群落内多样性、群落间多样性指数、异地同类生境指数监测。监测手段多以人工、仪器、基因技术监测。例如利用红外触发相机,清晰监测兽类和地面活动鸟类,录音机自动采集鸟类的叫声,通过声景分析,鉴定生物种类、评估多样性。又如,分子-组学技术不在生物多样性监测中的应用广泛。宏基因组学方法是土壤微生物鉴定和监测的常用方法。土壤动物形态难以鉴定、耗时较长,将常规形态鉴定与分子技术相结合会对土壤动物多样性,起到一定推动作用。
 
  这些传统监测手段耗费大量人工、仪器等多个项目成本。况且,由于其采样和分类规模浩大,研究被限制在针对性较强、较小的区域且难以复制。因此,保护学者和环境管理者们往往只能利用有限的数据来进行决策。
 
  与传统监测性比,“生物多样性汤”技术凭借其快速、高效、监测范围广的特点,通过高通量技术,实现了大尺度上复制和检验,监测成本大幅减少,可以同时分析大量混合样本,获得准确的生物多样性数据,高速、高效提供第三方检验数据,加强监测环境变化指数和濒危物种的状况。
 
  “生物多样性汤”推动生物监测逐渐从形态学、细胞学、生理生化发展到分子,深刻揭示遗传物质的遗传、变异情况。该种技术逐渐被多国自然保护管理部门纳入其日常监测工作中,改进实验设计和生物信息学分析流程,降低错误率、提高运算速率。此外,“生物多样性汤”不仅让生物多样性本身的变化受到关注,而且将人们的视线延伸到影响生物多样性的因素如气候变化、土地利用、环境污染等,并为相关学科如农学、林学、渔业学、土壤学等提供大量的资料。
 
  构建多维监测体系  解决两大难题
 
  目前,生物多样性调查、评估与监测是获得生物多样性数据的主要手段,也是开展生物多样性保护的前提。但目前大量获取物种信息仍是一个难题。
 
  技术让生物多样性监测迈向新纪元。生物监测通过天空地一体化,建立三维监测系统,多方位监测生物多样性,高效地获取地面精细的生物多样性信息。该系统恰好解决了如何快速获取地面精细的生物多样性信息,如何将高通量的生物多样性信号与遥感信号衔接两个问题。
 
  该三维监测系统包括遥感技术、地理信息系统和全球定位系统,以及无人机近地面遥感技术等。大尺度上以卫星遥感为主,小尺度上以近地面遥感为主,包括利用高光谱、多光谱仪、激光雷达采集数据。近地面遥感技术快速推广得益于无人机广泛使用。
 
  卫星遥感、地面人工观测和调查结合,主要用于整改生态系统,而近地面遥感与人工观测结合,用于动植物个体。多维遥感数据和高精地面数据相连接,构建用于监测生物多样性的体系框架。
 
  该体系提供研究区域长时间跨度、多空间尺度的生物多样性数据。目前,研究团队将卫星、近地面遥感与“生物多样性汤”技术相结合,构建“天空地一体化”探索和应用研究。
 
  未来,依托“生物多样性汤”以及三维体系,将推动我国生物多样性监测进程,助力我国尽早占领生物多样性监测的前沿高地。