近日,由华大海洋党支部书记、华大海洋研究院常务副院长游欣欣博士带领的科研攻关小组运用环境DNA(eDNA)技术和高通量测序技术,从水体样本中初步鉴定出出现在深圳大鹏湾海域“小布”是小布氏鲸(Balaenoptera edeni),这是全球首次利用环境DNA(eDNA)技术和高通量测序技术从水体样本中鉴定到这一物种!

“小布”是什么?eDNA告诉你!

自6月底“小布“惊现大鹏湾海域,华大海洋高度重视,第一时间组建了以华大海洋党支部书记、华大海洋研究院常务副院长游欣欣博士为组长的科研攻关小组,从小布活动的大鹏湾海域采集海水,经过连续多天的加班加点、技术优化、攻坚克难,终于知道了这位“鲸”喜来宾的真实身份。

从水体中捕获到的DNA片段告诉我们,小布其实是一头小布氏鲸(Balaenoptera edeni)。小布氏鲸并不是小的布氏鲸,而是跟布氏鲸不同的物种。这是全球首次利用环境DNA(eDNA)技术和高通量测序技术从水体样本中鉴定到这一物种,并将其从一类很难通过形态学或声学进行区分的近源物种中分辨出来。究竟是什么样的神仙技能让我们“舀一水”而知天下?

华大海洋科研人员在海上采集水样

布氏鲸物种分类的争议

须鲸属(rorquals, Balaenopteridae: Balaenoptera)是一类大型海洋哺乳动物,包含9个现生种,分别是4个曾被笼统划为布氏鲸(Bryde's whale)的物种(Bryde's whale,Eden's whale,Omura's whale,Rice’s whale)、普通小须鲸(common minke whale)、南极小须鲸(Antarctic minke whale)、长须鲸(fin whale)、黑板须鲸(sei whale)以及地球上有史以来最大的动物——蓝鲸(blue whale)。

“小布”基因解码全过程

那么,小布到底属于四种中的哪一种呢?华大海洋科研人员通过对小布所生活的水域进行eDNA水体样品采集及高通量测序,以四种布氏鲸的线粒体全基因组序列为参考序列,从5.2×109条测序序列(52亿条测序reads),捕获到6条能比对到参考序列的序列(reads),概率是十亿分之一,这6条reads组装出4条长度约150 ~ 240 bp不等的小布线粒体基因序列,它们分别位于tRNA-Met、ND2、ND4及CYTB区。

这4条序列与已报道的保存在日本东京国立科学博物馆里的小布氏鲸样本(样本编号NSMT-M33622,GenBank序列号AB201258.1 [5])的序列相似性分别为99%、100%、100%和100%,而与其他三个物种的序列相似性只有95% ~ 97%。

因此,可初步确定小布是一种小布氏鲸(B. edeni),特别担得起“小布”这个可爱的称呼,不禁让人感叹:“这玄学般的默契!”

eDNA检测及高通量测序解码小布基因并对其进行物种鉴定

神仙技能:只取一瓢,便知物种

eDNA检测结合高通量测序到底是什么样的神仙技能组合,仅舀一勺水就能鉴定水中有何物、有多少?其实,eDNA是指在环境样品中所有被发现的不同生物的基因组DNA的混合,生物脱落的表皮细胞或粪便是eDNA的主要来源。

通过环境样品采集、过滤eDNA样品中的杂质,收集、浓缩和提取样品中的DNA,再通过PCR和/或高通量测序技术放大、解读这些DNA序列,理论上就可以知道环境中都有哪些物种了。

通常,eDNA技术主要用于检测陆生和水体环境中微生物(细菌、真菌),近些年开始在水生脊椎动物研究中崭露头角,例如无刺蝠鲼、鲨鱼等软骨鱼类和多种硬骨鱼类,而针对个体较大的海洋哺乳动物的研究却鲜有报道。目前国际上尚无采用eDNA技术鉴定小布氏鲸这一类物种的报道。

相较于传统的研究方法而言,新兴的eDNA技术有很多优势。传统的大型海洋生物研究方法有组织取样、声学调查、卫星标记、航测和照片识别等等,但这些方法仅能在天气条件好、能见度高的时候适用于活跃于水体表层的个体,限制因素繁多。

水体eDNA技术不仅能克服以上种种限制因素,还能极大地提高检测灵敏度,最重要的是,它对所研究的生物不造成任何影响和伤害。但是,在茫茫大海捕获eDNA,难度非常大,海洋中的DNA受水流、温度以及酸碱性等影响,在较短的时间内被稀释甚至降解。

为了不惊扰到小布,采集水样的点需要远离小布的出没点,这样捕获到小布eDNA的概率大大降低。可以说,成功的概率无异于大海捞针。在开展此项工作的初期,华大海洋科研人员采用传统的方法检测小布eDNA,结果一无所获。后续,大胆尝试了新思路,采用了新技术,终于捕获到小布的eDNA,为大家揭开了小布这位“神秘来客”的真实身份。

敬请期待:“小布”吃什么?eDNA告诉你!

接下来,我们会进一步对获得的eDNA数据进行分析,解读数据中鱼类的DNA信息,评估小布在大鹏湾活动海域的鱼类种类及其丰度,推测小布的饮食结构,为更好地“招待”这位“大朋友”提供参考借鉴,为大型鲸豚类的保护提供科学依据。