5月17日發表在《環境DNA》雜誌上的一項新研究，是監測海洋系統生物多樣性的一個重要步驟，詳細介紹了蒙特雷灣水族館研究所（MBARI）的研究人員如何使用自主水下機器人對環境DNA（eDNA）進行採樣的。eDNA允許科學家們從水生物種留下的微小遺傳物質中檢測它們的存在。這種“DNA湯”提供了關於敏感地區生物多樣性變化的線索，稀有或瀕危物種的存在，以及入侵物種的傳播–所有這些對於理解、促進和保護健康的海洋都至關重要。
研究人員為這項研究結合了MBARI開發的兩個新型自主平台：長距離自主水下航行器（LRAUV）和環境樣品處理器（ESP）。LRAUV是一個靈活的水下機器人，可以長時間地前往海洋的偏遠地區。ESP是一個機器人的“罐中實驗室”，可以過濾海水並保存電子DNA以供將來研究。通過為LRAUV配備ESP技術，研究人員可以在時間和空間上擴大海洋監測的規模。相比之下，傳統的海洋eDNA採樣需要在一艘昂貴的研究船上花費數周時間，而且只能在局部地區進行。像這樣的技術創新正在徹底改變海洋保護工作。
“我們知道eDNA是研究海洋群落的一個非常強大的工具，但我們一直受限於使用載人研究船所能完成的工作。現在，自主技術正在幫助我們更好地利用我們的時間和資源來研究海洋的新部分，”MBARI的生物海洋學家和該論文的主要作者Kobun Truelove說。
海洋生物多樣性是對海洋中個體和物種丰度的一種衡量。這種相互關聯的生物馬賽克–從最小的浮游生物到最大的鯨魚–支持着食物網，產生我們呼吸的空氣，並調節着我們的氣候。像LRAUV和ESP這樣的自主工具使MBARI的研究人員能夠在海洋中保持持久的存在，並以以前不可能的方式監測敏感生態系統的變化。
“生物體隨着我們的海洋和大湖區的條件變化而移動，影響到依賴這些物種的人們和經濟。我們需要更便宜和更靈活的方法來大規模地監測生物多樣性。這項研究提供了我們所需要的eDNA和非船員技術的協同發展，直接回應了NOAA‘Omics戰略計劃’中規定的優先事項，”該研究的共同作者、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的合作者Kelly Goodwin說。
研究背景
在這項研究中，MBARI與NOAA大西洋海洋學和氣象學實驗室以及華盛頓大學的研究人員合作，在蒙特利灣國家海洋保護區完成了三次考察。該團隊在MBARI的三艘研究船、NOAA漁業船Reuben Lasker和MBARI的LRAUVs船隊之間協調樣品採集。
船上的團隊將瓶子降到特定的深度，以收集和保存水樣。同時，配備ESP的LRAUV在類似的位置和深度自主採樣並保存eDNA。這些eDNA樣本被送回實驗室進行深入測序。
相關的生物體有共同的DNA部分，被稱為基因標記。在這項研究中，研究人員用一種被稱為metabarcoding的技術分析了eDNA樣本。這種方法尋找短的DNA摘錄，並提供樣品中存在的群體的分類。這種技術對於將eDNA數據轉化為生物多樣性的衡量標準特別有幫助。研究人員分析了四種不同類型的基因標記，每一種都代表了食物網的一個稍微不同的層次。這些結果加在一起，產生了一個更全面的社區構成圖。從研究船和自主水下航行器上收集的樣本顯示了類似的生物多樣性模式。
Truelove指出，該研究的結果標誌着在監測海洋生態系統方面邁出了令人興奮的一步。“這項工作是關於提高eDNA研究的規模。”他說：“我們可以開始更廣泛地描述海洋中的生物群落結構，而不是關注單個物種。”
“良好的數據是可持續海洋管理的基石，”MBARI高級科學家和該研究的共同作者Francisco Chavez說。“定期的環境DNA監測告訴我們誰在那裡，什麼在隨時間變化。當涉及到了解氣候變化的影響–對海洋健康的最大威脅之一–這種信息是至關重要的。”
LRAUVs能夠一次行駛數周并行駛數百公里。與傳統的研究船相比，它們可以在感興趣的地區更頻繁地取樣，而傳統的研究船通常只是不定期地訪問偏遠地區。自主機器人將使研究人員能夠研究以前沒有調查過的海洋區域。填補這些數據空白對於加強全球海洋健康至關重要。基於船舶的研究將繼續在海洋學研究中發揮重要作用，但在工具包中增加新的自主技術將擴大研究、監測和資源管理的能力。最終，MBARI的研究人員設想部署一支配備ESP技術的LRAUVs艦隊。