科技日报记者 张佳星
今年全国两会“部长通道”上亮相的一款小小芯片引发公众关注。生态环境部部长黄润秋在展示芯片时介绍，这是一块DNA检测的信息芯片，芯片里的信息涵盖了江豚、胭脂鱼等水生生物的DNA检测信息，体现了长江十年禁渔的成效。
这块芯片怎样“摸底”长江，记录水中生物的DNA？芯片如何改变环境保护工作？带着这些问题，科技日报记者3月16日采访了相关专家。
部长展示的芯片是什么？
“水生生物种类多、分布广、对环境变化敏感，监测水生生物能够综合反映水生态系统健康状况，为水污染防治和生态修复提供科学依据。”湖北省生态环境监测中心站副站长、正高级工程师刘真贞告诉科技日报记者，传统的水生生物调查方法主要依靠人工观察、拖网捕捞和形态学鉴定等方式，时间和人力成本都比较高。
“如果能够检测到水生生物释放在环境中的DNA（eDNA），包括皮肤、代谢细胞、分泌物甚至腐烂体等，通过DNA测序就能达到物种监测的目的。”刘真贞说，黄润秋部长展示的芯片应用于基因测序设备中，能从采集到的环境样本中快速、准确地识别出生物物种。
这块芯片由华大智造自主研发，搭载在G99基因测序仪上使用。华大智造多组学研发中心副总监王逸丛告诉科技日报记者，为了加强eDNA技术在水生生物监测中的“超能力”，华大与中国科学院水生生物研究所联合湖北省生态环境监测中心站在武汉东湖6个位点筛选出适用于东湖鱼类多样性监测的遗传标记，共检测到隶属于16个科、36个属的51种鱼类，为eDNA宏条形码测序技术应用于东湖鱼类多样性监测和研究奠定了基础。
“一捧水”就能快速检测，如何实现？
“生物体释放到环境中的生物信息非常痕量，eDNA测序技术近年来持续发展，已具备较高的检测精准度与可靠的参考价值。”湖北省生态环境监测中心站吴冬晴博士介绍，在实际工作时，环境监测人员只需采集不同点位的“一捧水”样本，就可以在基因测序分析系统中获得水生生物的分析结果。
“为了实现精准监测，华大智造将纳米球、探针锚定聚合测序等自主核心技术集成进芯片和设备中，能够对低质量、低浓度DNA进行序列读取，有效助力复杂生物群落结构解析和珍稀物种及外来入侵物种监测。”王逸丛介绍，核心技术的应用让测序芯片具备捕捉目标基因组信息的“敏感神经”，且能有效过滤环境中的污染物质和干扰信息。
“我们还与科研团队一起构建了DNA条形码参考数据库，为物种高效搜寻起到‘索引’作用。”王逸丛介绍，条形码通过较短的DNA序列作为物种快速鉴定的标记，建立起DNA序列和生物物种间一一对应的关系，并在此基础上实现“一捧水知鱼种”的目标。
芯片承载的生物监测能力如何保护环境？
“传统方法常因目击观察困难、调查活动易对生物造成惊扰而难以精准掌握珍稀物种的种群动态。而eDNA技术为环境保护增添了一位‘无声哨兵’。”吴冬晴说，在不直接接触的情况下，通过对江豚、胭脂鱼等珍稀物种残留的微量DNA进行定性甚至定量分析，研究人员就能监测到它们的分布范围及种群相对丰度的动态变化，实现“默默”守护。
“针对食蚊鱼、福寿螺等入侵物种，我们也能够通过测序信息，精准追踪其群落扩张趋势，及早预警、提前布防，筑牢河流生态安全屏障。”吴冬晴说。
为精准识别物种，提升追踪保护珍稀濒危物种、监测外来物种入侵的质量和效率，华大智造基于G99基因测序仪研制了一整套自动化样本制备系统与分析软件，帮助生态环境监测人员实现从水样到分析报告的全流程一站式监测，提供可靠数据。王逸丛介绍，相关技术已经广泛应用于湖北、浙江、陕西、广东等地的江湖鱼类监测、浮游生物分析、沙漠土壤微生物监测等多个场景。
“在水面之上，基因测序芯片赋能的新技术同样令人期待，从环境中的微量遗传物质中，我们还可捕捉候鸟经停的生态印记，反演其迁徙路径与活动范围，为传统观测手段难以覆盖的环节提供全新视角。”吴冬晴说，随着环境监测迈入数字化、信息化、智能化阶段，人们将能够通过更精确、更高效和更经济的新技术更好地理解和保护自然。
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