eDNA成非洲干地修復(fù)監(jiān)測(cè)新利器！肯尼亞的生物監(jiān)測(cè)案例

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

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作者 | 周子又

出品 | 海潮天下

肯尼亞北部的干旱草原上，干季的烈日炙烤著龜裂的土地。為對(duì)抗愈演愈烈的生態(tài)退化，當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)在連綿的淺丘間筑起上千道弧形土埂——這些被稱為“水土保持埂”（water bunds）的半圓形結(jié)構(gòu)，如同大地張開的臂彎，試圖捕捉每一滴轉(zhuǎn)瞬即逝的雨水。它們承載著一個(gè)質(zhì)樸的愿景：用蓄住的水分喚醒沉睡的生機(jī)，讓黃沙重新染上綠意。然而，土地是否真正在復(fù)蘇？消失的羚羊與金合歡是否悄然歸來？

在過去，人們難以真正回答這些問題——傳統(tǒng)的生態(tài)監(jiān)測(cè)依賴人工長(zhǎng)期駐守、標(biāo)本采集和分類學(xué)家的肉眼辨識(shí)，在非洲干旱區(qū)高昂的成本與嚴(yán)酷環(huán)境面前，往往力不從心。

直到一群“土壤偵探”帶著基因測(cè)序儀踏入這片荒原。2025年，伯爾尼大學(xué)Wyss自然學(xué)院與肯尼亞科研團(tuán)隊(duì)在《Environmental DNA》發(fā)表突破性研究：《利用eDNA宏條形碼技術(shù)監(jiān)測(cè)生態(tài)恢復(fù)區(qū)物種多樣性：來自肯尼亞萊基皮亞的啟示》（《Harnessing eDNA Metabarcoding to Monitor Species Diversity in Restoration Sites: Insights from Laikipia, Kenya》）。他們通過提取土壤中的環(huán)境DNA（eDNA），不僅“聽”到了微生物的密語，更破解了水土保持埂背后的生態(tài)密碼。這項(xiàng)技術(shù)如同為土地做了一次無創(chuàng)“CT掃描”——無需驚動(dòng)草木蟲蟻，僅憑一把沙土，便能揭示數(shù)百種生物的基因蹤跡。在年均降雨不足750毫米的萊基皮亞郡，科技正為全球干旱區(qū)生態(tài)恢復(fù)打開一扇全新的觀測(cè)窗。

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圖1 肯尼亞在非洲大陸的位置示意圖

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eDNA技術(shù)如何培育生態(tài)監(jiān)測(cè)？

環(huán)境DNA（environmental DNA，eDNA）是一種從水、空氣或土壤等介質(zhì)中提取的遺傳物質(zhì)。哪怕不直接觀察動(dòng)植物個(gè)體，僅憑它們留下的花粉、細(xì)胞、排泄物等痕跡，我們也能判斷它們?cè)谀程幋嬖凇?/p>

近年來，科學(xué)家結(jié)合高通量測(cè)序與“宏條形碼”技術(shù)，發(fā)展出一種可以同時(shí)識(shí)別樣本中成百上千種生物DNA的新方法。這種技術(shù)原本多用于水生系統(tǒng)，如湖泊、河流或濕地的生物多樣性監(jiān)測(cè)。

而在這項(xiàng)由伯爾尼大學(xué)Wyss自然學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)主導(dǎo)的試點(diǎn)研究中，eDNA首次被帶入非洲內(nèi)陸的干旱地區(qū)。2023年初，研究團(tuán)隊(duì)在肯尼亞萊基皮亞郡的Lower Naibunga社區(qū)保護(hù)地啟動(dòng)了一個(gè)具有探索性的工作：在當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)修建的5000多個(gè)水土保持埂（water bunds）中，科學(xué)家們隨機(jī)選擇了18個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行土壤采樣，通過eDNA分析微生物與植物的多樣性組成。這一研究嘗試評(píng)估這些自然基解決方案（Nature-based Solutions, NbS）的生態(tài)恢復(fù)效果，希望構(gòu)建起一種在資源受限地區(qū)可持續(xù)、高效的生態(tài)監(jiān)測(cè)方法框架。

在肯尼亞ASALs（Arid and Semi-Arid Lands，干旱與半干旱地區(qū)）等生態(tài)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)生態(tài)監(jiān)測(cè)手段面臨許多挑戰(zhàn)。實(shí)地觀察、人工采樣和標(biāo)本分析通常耗時(shí)耗力，依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的分類學(xué)者，并可能干擾脆弱的棲息地。而eDNA技術(shù)則在多個(gè)層面提供了解決路徑。首先，它非侵入、不破壞原地環(huán)境，僅通過土壤或水體樣本即可分析出其中的遺傳信息。其次，它能一次性覆蓋多種生物類群，從根際細(xì)菌到草本植物，從孢子到種子，甚至包括生命周期中特定階段中難以被肉眼觀測(cè)的隱蔽種群。最后，高通量測(cè)序手段提供了前所未有的分辨率，使得即使是低豐度、稀有或間歇性存在的物種也能被捕捉。這些優(yōu)勢(shì)讓eDNA不僅適用于實(shí)驗(yàn)室控制條件下的研究，更具備在復(fù)雜野外環(huán)境中作為“快速檢測(cè)工具”的潛力。在萊基皮亞的干旱環(huán)境中，eDNA成為一種有望補(bǔ)足傳統(tǒng)手段盲區(qū)的“千里眼”和“體檢儀”。

正是基于上述優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)選擇eDNA技術(shù)作為切入點(diǎn)，首次系統(tǒng)性地評(píng)估水土保持埂對(duì)生態(tài)恢復(fù)的影響。對(duì)于一個(gè)80%以上國(guó)土被ASALs覆蓋的國(guó)家而言，快速、精準(zhǔn)地掌握生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，是實(shí)施恢復(fù)政策的基礎(chǔ)。而像水土保持埂這樣簡(jiǎn)易、高頻部署的NbS措施，如果缺乏科學(xué)監(jiān)測(cè)，其成效往往難以被量化。eDNA技術(shù)能為此提供恢復(fù)初期的“物種快照”，并捕捉不同生物類群的響應(yīng)信號(hào)。然而，這項(xiàng)技術(shù)同樣存在一定局限性：一方面，它的識(shí)別依賴于完整的參考數(shù)據(jù)庫(kù)，如果某些本地物種尚未被納入，如本研究中最初播種的非洲畫眉草（Eragrostis superba），就可能在數(shù)據(jù)庫(kù)中缺席，進(jìn)而被誤判為近緣物種垂柳草（E. curvula）；另一方面，eDNA雖然能“識(shí)別存在”，但難以判斷個(gè)體數(shù)量、生物活性或種群年齡結(jié)構(gòu)，仍需與實(shí)地調(diào)查等傳統(tǒng)方法協(xié)同使用。即便如此，這項(xiàng)試點(diǎn)已充分展示了eDNA作為干旱區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)工具的潛力，為ASALs生態(tài)治理提供了一種兼具精度與可行性的思路。

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水土保持埂與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)圖譜

肯尼亞萊基皮亞郡的Lower Naibunga社區(qū)保護(hù)地，位于Ewaso Ng’iro河流域的丘陵地帶，是一片典型的半干旱草灌混生區(qū)。這里地形起伏、植被稀疏，年均降雨量?jī)H約750毫米，降水主要集中在短暫的兩季，其余時(shí)間漫長(zhǎng)干旱，水源匱乏。盡管自然環(huán)境嚴(yán)酷，這片土地仍然孕育著多樣的本地植物和野生動(dòng)物，也承載著游牧社區(qū)賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)與文化傳統(tǒng)。近年來，氣候變暖、過度放牧和農(nóng)業(yè)壓力交織加劇，使得Naibunga地區(qū)的土地退化問題愈加嚴(yán)峻，表現(xiàn)為土壤貧瘠、生物多樣性下降和生態(tài)功能削弱。在這樣的背景下，該區(qū)域被確定為生態(tài)恢復(fù)的優(yōu)先試點(diǎn)。2023年，當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)在Wyss自然學(xué)院支持下，于六個(gè)具有代表性的片區(qū)內(nèi)挖掘了約5000個(gè)半圓形水土保持埂，希望通過聚水保墑的方式，為這片干旱土地恢復(fù)生機(jī)。這些排列密集的結(jié)構(gòu)，不僅是應(yīng)對(duì)極端氣候的實(shí)踐嘗試，也構(gòu)成了科學(xué)家評(píng)估恢復(fù)效果的重要觀測(cè)單元。

圖 2 肯尼亞萊基皮亞郡Lower Naibunga社區(qū)保護(hù)地研究區(qū)域及水土保持埂（編號(hào)1-6）位置示意圖

水土保持埂是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔但生態(tài)功能顯著的基于自然的解決方案（NbS)。

它通常由泥土在地表淺層堆筑而成，呈半圓形，開口朝向坡下，用于攔截和滯留短時(shí)暴雨所產(chǎn)生的地表徑流。正是這種看似簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，在肯尼亞ASALs等水資源短缺、植被稀薄的地區(qū)，展現(xiàn)出顯著成效。

在雨季，水土保持埂如同一個(gè)個(gè)嵌入地表的“水兜”，幫助雨水滲入土壤、補(bǔ)充水分；而在旱季，則在微地形中形成持續(xù)的濕度滯留帶，有利于維持植物根系生長(zhǎng)所需的基礎(chǔ)水分。

長(zhǎng)期來看，這些結(jié)構(gòu)減少了土壤侵蝕和徑流損失，為本地植物、微生物乃至昆蟲和小型動(dòng)物創(chuàng)造了更加穩(wěn)定的小氣候微環(huán)境。它們像是鑲嵌在土地上的生態(tài)“微單元”，具有恢復(fù)力強(qiáng)、可復(fù)制性高等優(yōu)點(diǎn)，適合在大面積退化區(qū)域進(jìn)行推廣。

因此，科學(xué)界亟需建立系統(tǒng)方法，來監(jiān)測(cè)這些微結(jié)構(gòu)是否真正提升了區(qū)域的生物多樣性與土壤健康。

圖 3 肯尼亞萊基皮亞郡Naibunga社區(qū)保護(hù)地通過水土保持埂進(jìn)行景觀恢復(fù)的照片

為驗(yàn)證水土保持埂對(duì)生態(tài)系統(tǒng)帶來的影響，研究團(tuán)隊(duì)在5000多個(gè)埂位中，基于地理代表性與可達(dá)性，隨機(jī)選取了6個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域抽取3個(gè)埂位，共計(jì)18個(gè)采樣點(diǎn)。這些水土保持埂寬約2.5米、長(zhǎng)5米，研究人員在每個(gè)埂中等距布點(diǎn)取土，并在現(xiàn)場(chǎng)去除表層雜質(zhì)后混合樣本，以保證代表性。

隨后，樣本被冷鏈運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，開展環(huán)境DNA提取與宏條形碼測(cè)序。

本次研究聚焦兩類生物指標(biāo)：一是利用16S核糖體DNA（16S rDNA）分析土壤微生物（細(xì)菌與古菌）群落，二是利用rbcL基因識(shí)別植物物種。這種技術(shù)路徑在第一部分中已介紹其優(yōu)勢(shì)，此處不再贅述。但值得強(qiáng)調(diào)的是，這是eDNA宏條形碼技術(shù)首次在非洲ASALs區(qū)域的大尺度NbS項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)地試點(diǎn)。研究希望借此繪制土壤中的生物組成“快照”，也意在為未來構(gòu)建可持續(xù)、低干擾、跨時(shí)段監(jiān)測(cè)體系提供經(jīng)驗(yàn)。

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微生物與植物的生態(tài)信號(hào)

當(dāng)18個(gè)水土保持埂的土樣在實(shí)驗(yàn)室中完成16S核糖體DNA（16S rDNA）條形碼測(cè)序后，一幅復(fù)雜而繁盛的微生物圖譜漸漸顯現(xiàn)。研究共識(shí)別出超過500種細(xì)菌屬，涵蓋40多個(gè)門類，顯示出出人意料的微生物多樣性。在這些土壤居民中，植物生長(zhǎng)促進(jìn)根際細(xì)菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria, PGPR）尤其引人關(guān)注。像環(huán)狀芽孢桿菌（Bacillus circulans）、韓國(guó)芽孢桿菌（Bacillus koreensis）、解淀粉芽孢桿菌（Anoxybacillus amylolyticus）這類PGPR幾乎在所有采樣點(diǎn)中都被檢測(cè)到，它們能在植物根部定殖，溶解土壤中難以利用的磷和鉀，分泌植物激素，增強(qiáng)植物對(duì)干旱、鹽堿、極端溫度等環(huán)境脅迫的適應(yīng)能力。更重要的是，它們還能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)性抗性，抵御土傳病原菌。在微觀尺度上，這些細(xì)菌正如無聲的恢復(fù)“工匠”，借助水土保持埂提供的微環(huán)境，悄然推動(dòng)著植物復(fù)蘇與土壤功能再生。

除了PGPR，eDNA還揭示了多個(gè)具備生態(tài)調(diào)節(jié)與修復(fù)潛力的微生物類群，勾勒出一套復(fù)雜的地下“生態(tài)操作系統(tǒng)”。例如，高山節(jié)桿菌（Arthrobacter alpinus）因其可分解有機(jī)與無機(jī)硫化物，具備生物修復(fù)污染的能力，成為恢復(fù)退化土壤的重要角色。研究還發(fā)現(xiàn)多種參與氮循環(huán)的微生物，如尿素八疊球菌（Sporosarcina ureae）能分解尿素，流水短芽孢桿菌（Brevibacillus fluminis）與副短短芽孢桿菌（Brevibacillus parabrevis）則促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)化，為植物提供更易吸收的營(yíng)養(yǎng)形態(tài)。在干旱區(qū)，氮是限制植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵要素之一。更為關(guān)鍵的是，埃爾坎尼中慢生根瘤菌（Bradyrhizobium elkanii）和圓明慢生根瘤菌（Bradyrhizobium yuanmingense）等固氮菌廣泛存在于各采樣點(diǎn)，它們可與豆科植物共生，形成根瘤固定大氣中的氮?dú)猓瑸榛謴?fù)過程中的“先鋒植物”提供必要養(yǎng)分。這些菌群不僅維系了土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能運(yùn)轉(zhuǎn)，也增強(qiáng)了整個(gè)生態(tài)恢復(fù)過程的穩(wěn)定性和韌性。

圖 4 研究區(qū)域不同水土保持埂（地點(diǎn)1-6）中相對(duì)豐度最高的20種細(xì)菌物種

借助rbcL基因區(qū)域，研究團(tuán)隊(duì)描繪出了水土保持埂附近植物多樣性的潛在圖譜。從數(shù)據(jù)中可以看到，既有人工種植的非洲狐尾草（Cenchrus ciliaris）和其近緣種彎葉畫眉草（Eragrostis curvula），也出現(xiàn)了多種原生或野生功能植物。例如，非洲馬齒莧（Zaleya pentandra）作為耐旱地被植物，不僅能穩(wěn)固土壤，還具有藥用潛力；蔓花生（Arachis duranensis）為栽培花生的野生祖先，具備高度抗逆性，在未來干旱區(qū)作物育種中具有價(jià)值；鷹嘴豆（Cicer arietinum）是ASALs（干旱與半干旱地區(qū)）重要的豆類主糧，而獅耳花（Leonotis leonurus）則因其傳統(tǒng)藥用特性和潛在活性成分而受到關(guān)注。這些植物不僅支持生態(tài)恢復(fù)，也與當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的生計(jì)和文化高度相關(guān)。然而，數(shù)據(jù)中也出現(xiàn)了需要警惕的信號(hào)：毛果天芥菜（Heliotropium europaeum）為對(duì)牲畜有毒的雜草，可能帶來牧養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)；而恢復(fù)性強(qiáng)的非洲狐尾草（Cenchrus ciliaris）和外來物種野黍（Eriochloa villosa）則存在入侵潛力，具有化感作用，可能抑制本地植物生長(zhǎng)。這些發(fā)現(xiàn)提醒我們，生態(tài)干預(yù)的物種選擇除了考慮“成活率”，也得兼顧長(zhǎng)期的系統(tǒng)穩(wěn)定性與本地多樣性，避免在“快速恢復(fù)”中埋下新的生態(tài)隱患。

圖 5 研究區(qū)域不同水土保持埂（地點(diǎn)1-6）中相對(duì)豐度最高的20種植物物種

這項(xiàng)在肯尼亞萊基皮亞開展的試點(diǎn)研究，借助eDNA宏條形碼測(cè)序，科學(xué)家們從一捧土壤中識(shí)別出數(shù)百種微生物與植物遺傳信息，揭示了水土保持埂在改善地下生物多樣性方面的潛力，也捕捉到某些入侵物種和毒性植物的早期信號(hào)。它提醒我們：恢復(fù)生態(tài)不僅是播種和綠化，更重要的是要重建一種被忽視的生態(tài)關(guān)系網(wǎng)。eDNA技術(shù)的非侵入性、高通量與時(shí)間敏感性，提供了新的可能，但任何工具都無法獨(dú)立承擔(dān)恢復(fù)的全貌。真正的生態(tài)監(jiān)測(cè)，應(yīng)當(dāng)整合遙感、大數(shù)據(jù)、生物組學(xué)與在地社區(qū)的長(zhǎng)期參與，形成科學(xué)與經(jīng)驗(yàn)協(xié)同、前沿技術(shù)與在地知識(shí)并存的系統(tǒng)框架。

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（注：本文僅代表資訊，不代表平臺(tái)觀點(diǎn)。歡迎留言、討論。）

文 | 周子又

編輯 | 海潮君

排版 | Ivy Zhou

關(guān)于作者

周子又（Ivy Zhou），丹麥哥本哈根大學(xué)環(huán)境與發(fā)展專業(yè)，重點(diǎn)關(guān)注碳排放與氣候政策、自然資源管理與可持續(xù)發(fā)展，以及全球環(huán)境治理方面的進(jìn)展。

【參考資料】

Harnessing eDNA Metabarcoding to Monitor Species Diversity in Restoration Sites: Insights From Laikipia, Kenya

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/edn3.70110?msockid=3072e38ca6b96e3b3b30f0fea7b56fc2