想知道一片水域里有多少鱼，不用撒网捕捞，只需取一瓢水就能算出……上海海洋大学环境DNA技术与水生态健康评估工程中心李晨虹团队在国际知名期刊《分子生态资源》（Molecular Ecology and Resources）上发表了题为 “Estimation of Species Abundance Based on the Number of Segregating Sites Using Environmental DNA (eDNA)” 的封面文章，为环境DNA（eDNA）定量技术的应用提供了新思路，未来或可让生态监测像“查指纹”一样高效。

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鱼游过会留下DNA“指纹”

“警察破案也需要‘循着蛛丝马迹’，凡是生物存在过的地方就会留下它们的痕迹。同样，鱼游过也会在水中留下DNA‘痕迹’。”李晨虹解释，eDNA是指生物体释放至体外环境（包括水体、土壤、空气等）中的DNA 片段。其来源广泛，一方面源于生物皮肤、鳞片受损导致的细胞脱落，另一方面则来自生物在呼吸、排泄、繁殖等正常生理活动中释放的 DNA。

借助eDNA进行生物监测，是一种高效、灵敏且对生物无损伤的技术手段，在生物多样性评估、濒危物种保护以及入侵生物监测等领域展现出了巨大的应用潜力。特别是在实施长江“十年禁渔”等大规模生态保护举措的背景下，传统渔业调查方法受到一定限制，而环境友好型的eDNA技术则凸显出其独特的优势和重要性，为生物资源与生态环境研究提供了有力支持。

从判断“有没有”到说清楚“有多少”

但长久以来，eDNA技术一直有个“痛点”：它能判断“有没有鱼”，却很难说清楚“有多少鱼”。

传统方法通过测量DNA浓度来推算种群大小和物种生物量。但诸多因素会影响eDNA 浓度。“从生物自身的生理活动来看，生物的活跃程度、疾病损伤、摄食和繁殖等生理活动会直接影响eDNA 产生的速率；而从环境因素方面考虑，温度、水化学性质、水文条件等因素又会对eDNA 的扩散和降解过程产生影响。”

这些因素的综合作用导致eDNA 浓度与环境中生物量之间的相关性较弱，因此，直接依据eDNA 浓度来估算环境中物种数量或生物量，其效果往往不尽如人意，难以获得准确可靠的定量结果。

为了解决eDNA技术发展“痛点”，李晨虹教授带领团队决定另辟蹊径。“换个角度思考，我们可以从基因序列差异的角度来探讨eDNA 与物种数量之间的关系。”李晨虹说，假设环境中仅存在一个个体，无论其释放的DNA 浓度高低，其 DNA 序列都是固定的。当存在两个个体时，它们的 DNA 序列会出现一定程度的差异；若存在三个个体，序列差异则会进一步增大。“这就好比一家人的指纹各不相同，若在某地检测到10种不同指纹，就能推测至少有10个人来过。”

值得注意的是，序列差异与个体数量之间的相关性并不会受到eDNA 浓度变化的影响，这一特性为基于eDNA 分离位点数目估算物种丰度提供了理论基础，为eDNA 定量研究开辟了新的思路和方向，有望克服传统定量方法的局限性，提高eDNA 定量分析的准确性和可靠性。

分离位点数目和物种个体数相关性原理。图中彩色表示在不同个体之间有差异的位点（分离位点）。随着个体数增加，分离位点数目也成比例增加。

生态监测可以更高效

李晨虹带领团队首先通过模拟数据验证分离位点数量在eDNA定量分析中的可行性。“我们先用计算机模拟不同鱼群规模，发现‘差异点数量’与鱼的数量高度相关。”团队参照线粒体基因组的长度及其基因突变频率，模拟生成三组具有不同突变频率的序列。然后随机挑选一定数量的序列，并统计其中包含的分离位点数量。

统计分析结果表明，在三种不同突变频率的模拟数据中，分离位点数量与序列数量均呈现出极显著的正相关性，且基因突变频率越高，该相关性越强。

经过对比筛选，李晨虹决定选用具有较高的遗传多样性，并且易于饲养的矛尾刺虾虎鱼开展进一步实验。实验设计了鱼体重、数量及是否投喂等三种变量。矛尾刺虾虎鱼被饲养三天后，从养殖水体中提取eDNA，并对11个线粒体基因进行富集和高通量测序。随后，从包含不同个体数量的eDNA测序数据中提取分离位点数量，并同步统计DNA拷贝数。

结果显示，相较于DNA拷贝数，分离位点数量与样本个体数之间的正相关性更强。这就证实，“差异点数”与鱼的数量匹配度显著高于传统DNA浓度法，且不受鱼是否进食、体型胖瘦的影响。

“我们团队开发的基于分离位点数的eDNA定量方法，优于当前主流的eDNA拷贝数法。相比之下，该方法的优势在于不受物种体型、摄食行为等环境变量的干扰，能够更加稳定、精准地评估目标物种的数量。”李晨虹笑着说，“无论鱼在吃饭、休息，都不影响差异点数量，这就可以让生态监测更高效。”

据悉，研究的发现有望提升eDNA在物种监测、生态评估及生物多样性研究中的应用精度，未来可进一步拓展至更广泛的生境和目标物种。