生命科学学院姚蒙研究组、李晟研究组验证土壤eDNA高效检测陆地动植物多样性
发布时间: 2026-07-06 11:16:52
6月26日，北京大学生命科学学院和生态研究中心姚蒙研究组和李晟研究组在国际环境科学领域旗舰期刊《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）在线发表题为“Soil eDNA Biomonitoring: Assessing Efficacy for Detecting Terrestrial Vertebrate and Plant Biodiversity”的研究论文。该研究通过同步开展土壤环境DNA（eDNA）分析、红外相机监测和植物样方调查，系统评估了土壤eDNA宏条形码技术在陆地脊椎动物和植物多样性监测中的有效性、潜在偏差与成本效率。研究结果表明，土壤eDNA可以从少量表层土壤样品中同时获取陆生脊椎动物和植物的多样性信息，在植物多样性检出方面具有时空覆盖度更高的优势，并在脊椎动物监测中与红外相机展现出较强的互补性和一定的物种相对丰度指示能力。土壤eDNA在物种检测中所需经费和时间投入均显著低于其他调查方法，具有省时、省力、高效、标准化的应用优势（图1），为陆地生态系统生物多样性的大尺度、高效率监测提供了新的技术路径。
图1. 土壤eDNA方法（中）检测生物多样性与传统红外相机（左）和目视调查（右）对比具有更广泛的物种覆盖度及更高的成本效率
eDNA技术可通过检测环境样品中的DNA片段获取周边生物组成信息，已广泛应用于水体和沉积物等环境的生物多样性监测。然而，陆地生态系统中的eDNA应用仍处于发展阶段。传统陆地调查方法如样方调查、红外相机和痕迹调查等，常受时间、人力、季节和专业经验限制。因此，发展一种操作简便、适合长期监测并能覆盖多类群的陆地生物多样性调查方法具有重要意义。
土壤作为陆地生态系统中的重要生物信息库，可积累植物和动物释放的DNA，从而记录周边生物活动和群落组成。但土壤eDNA能否有效反映陆地脊椎动物和植物多样性、相较传统方法表现如何，以及其检测效果是否受季节和物种特征影响，仍缺乏系统评估。
为回答上述问题，研究团队在北京大学校园内选择了5个样点，在冬季和夏季分别开展土壤eDNA采样、红外相机监测和植物样方调查（图2）。随后，使用脊椎动物12SrRNA和植物trnL通用引物进行DNA宏条形码测序，并将土壤eDNA检测结果分别与红外相机和植物样方调查结果进行比较。
图2. 研究区域与采样设计示意图
在陆生脊椎动物方面，土壤eDNA共检测到43个分类单元，红外相机记录到33种。检测结果具有互补性：土壤eDNA可补充小型或隐蔽类群的检出，红外相机则更适合记录活动频繁、体型较大的动物（图3）。同时，土壤eDNA相对序列丰度与红外相机相对多度指数显著正相关，因此土壤eDNA不仅可用于物种检出，也具有一定反映动物相对丰度的潜力（图4）。
在植物多样性方面，土壤eDNA检测到145个维管植物分类单元，显著高于传统视觉调查记录的32种植物（图3）。值得注意的是，植物样方调查结果表现出明显季节差异，冬季难以记录到草本植物；而土壤eDNA检测到的植物多样性在季节间相对稳定。这可能是由于植物DNA在土壤中具有较强的空间整合和时间保留效应，土壤不仅记录采样当时的植物信息，也可能包含此前季节沉积下来的植物DNA。因此，土壤eDNA在植物多样性监测中具有突破季节限制的潜力，尤其适合用于大尺度植物区系调查、长期生态监测和复杂生物多样性评估。
图3. 土壤eDNA与传统方法检测陆生脊椎动物和维管植物多样性的比较
图4. 土壤eDNA与红外相机对脊椎动物相对丰度估计呈现显著正相关关系
除检测效果外，团队还比较了土壤eDNA、红外相机和植物样方调查3种方法的成本与时间投入。结果显示，土壤eDNA虽然需要分子实验和测序分析，但其野外采样过程十分简便，所需现场时间和专业经验较少。按检测到的分类单元数量标准化后，土壤eDNA每检测一个分类单元所需的花费和时间均显著低于传统调查方法，体现出较高的成本效率。对需要在大范围、长期、多类群尺度上开展的生物多样性监测项目，土壤eDNA有望显著降低野外调查工作压力，并提高物种监测效率。
未来，随着土壤eDNA采样设计、实验流程和生物信息学分析方法的不断完善，土壤eDNA有望与红外相机、空气eDNA、水体eDNA、植物样方和公民科学调查等多种监测方式结合，构建更加综合、高效和标准化的陆地生物多样性监测体系。这一技术不仅可用于动植物多样性评估，也有望扩展至微生物、真菌、无脊椎动物等多类群监测，为理解生态系统结构、功能及其对环境变化和人类活动的响应提供重要数据支撑。
生命科学学院博士生孔玥峤为本论文第一作者，田佳和柴子淇参与了研究工作，姚蒙和李晟为共同通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划，国家杰出青年科学基金等国家自然科学基金项目的支持。
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