議題背景

2020年11月04日，荷蘭研究團隊在《公共科學圖書館》期刊（PLOS ONE）發表一篇研究，採用環境DNA高通量分子條碼（environment DNA metabarcoding）技術辨識深海（深度大於1400公尺）魚類物種。他們使用環境DNA高通量分子條碼技術從深海水樣本中辨識出11個魚類科、11個屬，以及8個種，並將研究結果與使用常規採樣方法獲得的結果比較，發現環境DNA高通量分子條碼可以更廣泛的辨識出魚類多樣性，有利於應用在大規模環境監控。但研究團隊也指出，若要將其應用在深海環境大規模監測，仍需要針對深海環境的獨特性進行調整。

專家怎麼說？

2021年01月26日
東海大學生命科學系副教授   劉少倫

環境DNA高通量分子條碼（eDNA metabarcoding）是從環境中取得物種DNA樣本並定序特定的基因，再將所獲得的基因序列樣本與資料庫中的物種比對，藉此判斷該環境包含哪些生物的技術。這篇研究是從深海取得海水樣本，但依據想要研究的物種不同，也可以從土壤、動物排遺、空氣、湖泊沈澱物等環境獲得生物DNA樣本。由於環境包含的生物種類非常多，就像深海中除了魚類，也有其他微生物、底棲生物。因此在獲得環境樣本之後，需要分離出海水裡所有的DNA，抓出並複製用來鑑別物種的序列（通常是粒線體的COI序列[1]），經大量複製特定基因序列後[2]，就能給定序公司以高通量定序儀[3]進行DNA定序，將所獲得的基因序列與基因資料庫比較來得知環境中的生物有哪些。生物資料庫的豐富度會影響基因序列的比對結果，當資料庫中的相關物種基因資料越完整豐富，我們就越可能精確比對出物種名稱。在臺灣，已有許多學者用環境DNA高通量分子條碼技術來研究在環境、腸胃道或珊瑚體內微生物的多樣性[4][5][6]，但非微生物相關的多樣性研究，以魚類為例，仍較少採用環境DNA高通量分子條碼技術，主要還是使用世界魚類資料庫（Fish Base）、台灣生物多樣性資料庫或基因銀行（GenBank）等資料庫，以形態或小規模的標本DNA生命條碼分析技術[7]為研究方法。

以海洋物種監測為例，傳統觀測方式是潛水員直接紀錄所見物種。直接觀測的優點是可以明確地看到該海域的物種、群體數量，以及判斷所見的物種是否棲息於這個海域；缺點則是可能一直沒觀察到某些物種。環境DNA高通量分子條碼剛好與直接觀測互補，只要該海域的物種有遺落含DNA的物質，就能比對出來，即便有無法比對的DNA序列，也能知道這片海域有我們未知的物種，了解到還有我們不知道的東西，這件事在科學研究上相當重要。然而缺點在於採樣獲得的環境DNA來源多元，不一定與環境有強烈的相關性。舉例來說，環境DNA的結果難以判斷這一次海水樣本比對出來的物種，是全部都棲息於此海域，還是恰好路過留下DNA？也無法直接說特定物種的DNA數量較多，就等於該物種的個體數量豐富，因為有些魚種的表皮細胞可能特別容易脫落，或正好繁殖季釋放大量的精卵。因此以現階段的技術來說，環境DNA可以有效協助判斷DNA所屬的物種「是否存在」，但若要用來判斷其他關聯性，則需要透過前期調查或直接觀測相互驗證。此外，環境DNA高通量分子條碼技術需要有人採樣、過濾、比對DNA序列，還需送到專業實驗室做基因定序，以目前基礎研究計畫經費有限情況下，在成本花費仍然較傳統方法高。

雖然目前環境DNA的研究仍在發展中，但可應用的範圍相當廣泛，例如檢測同一地區同一時期不同年份的物種，長期追蹤該地區物種組成的變化[8]；分析湖泊沈澱物，亦有機會回溯古生物的生存環境[9]；也有研究以空氣樣本獲取花粉的DNA，用於研究花粉症過敏原[10]等。在2019年學界甚至創設專門討論環境DNA技術的國際學術研究期刊[11]，因此環境DNA技術可能是未來環境與物種研究上相當重要的趨勢。

註釋與參考資料：

[1] 編註：主要是由加拿大分子生物多樣性研究所所長、演化生物學家赫伯特（Paul D. N. Hebert）提出，認為粒線體COI序列有同物種間具有細微差異的特徵，可以用來辨識生物物種，目前有98%都可以用此方式辨識。

[2] 編註：「連鎖聚合酶分子技術」 （Polymerase chain reaction, PCR）是用來大量複製特定基因序列的技術。其透過改變溫度，將單一或少許的DNA片段不斷複製，產生大量的DNA片段，有大量的DNA才能進一步研究實驗。

[3] 編註：在獲得一個環境樣本DNA後，需先以PCR技術擴增基因片段，再將這個擴增後的片段，藉由高通量定序儀大量定序，產生千百萬條以上的序列，後續再以生物資訊將序列依相似度分群及與資料庫比對分析。

[4] 相關研究可參考Lu H. P. et al. (2016). “Evaluating community-environment relationships along fine to broad taxonomic resolutions reveals evolutionary forces underlying community assembly.” ISME Journal 10 (12): 2867-2878.

[5] 相關研究可參考：Yang S. H. et al. (2019). “Metagenomic, phylogenetic and functional characterization of predominant endolithic green sulfur bacteria in the coral Isopora palifera.” Microbiome 7(1): 3.

[6] 相關研究可參考：Chen C. Y. et al. (2020). “Maternal gut microbes shape the early-life assembly of gut microbiota in passerine chicks via nests.” Microbiome 8(1): 129.

[7] (DNA生命條碼分析技術主要針對每一個標本，萃取DNA，然後利用COI等特定基因定序，比對資料庫，這樣的技術只能調查已收集到的生物樣本數量或種類。環境DNA高通量定序，則如上述討論可以獲得環境所有生物的基因，並透過高通量定序儀獲得成千上百萬的序列。

[8] 相關研究可參考Handley L. L., et. al (2019). “Temporal and spatial variation in distribution of fish environmental DNA in England’s largest lake.” Environmental DNA 1(1): 26-39.

[9] 相關研究可參考Ellegaard, M., et. al (2020). “Dead or alive: sediment DNA archives as tools for tracking aquatic evolution and adaptation.” Communications Biology 3(169).

[10] 相關研究可參考Johnson, M. D., Cox, R.D., Barnes, M.A. (2019). “The detection of a non-anemophilous plant species using airborne eDNA.” PLOS ONE

[11] Environmental DNA 期刊介紹與歷年期刊：https://onlinelibrary.wiley.com/toc/26374943/2021/3/1

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