生物多样性及其相关的遗传多样性正在以前所未有的速度丧失，因此需要采取新方法来捕捉和记录遗传多样性，防止其消失。

传统环境DNA（eDNA）监测方法（如metabarcoding）

存在明显局限

  • 依赖预设遗传标记（仅获取数百bp条形码序列）

  • 依赖于数据库，无法解析未录入数据库的遗传多样性

  • 扩增偏好性导致物种定量偏差

因此，我们提出一个科学问题：

能否通过空气eDNA非靶向宏基因组测序，实现全生物群落快速评估、种群遗传分析及多场景应用？

2025年最新发表于《nature ecology & evolution》（IF=14.5）的空气宏基因组eDNA对全生物群落（病毒→脊椎动物）的解析给出了一个全新的方案。

研究设计

样本采集地理范围：2022年至2024年间，佛罗里达（亚热带）、爱尔兰（温带）

样本类型：空气环境DNA

采样方法：主动抽滤（真空泵）、被动沉降（滤膜）、车辆移动采样、表面擦拭

对照样本：雨水、河水、盐水、土壤、粪便和沙子样本

高通量测序：空气eDNA宏基因组（78个shotgun数据集：包括30长读长ONT + 48短读长Illumina）

专项实验：人类外显子捕获测序（4个室内空气样本），脊椎动物12S rRNA metabarcoding（14个数据集）

图1 研究思路概述

主要研究结果

1. 利用空气中的DNA 进行人类人口遗传学研究

物种特异性人类qPCR显示，从都柏林市回收的空气eDNA比农村地区含有更多的人类DNA（图2b）。在农村地区空气中的泛真核生物DNA含量最高（图2c）。城市空气中人类eDNA含量与受人类污水污染的河流相当（图2b）。宏基因组空气DNA测序显示，都柏林市空气样本中人类祖先单倍型的数量，远高于居住密度低得多的森林/混合居住区（图2d）。虽然总体比例相似（以欧洲-印度人为主），但在森林中仅鉴定出8种不同的种系型，而城市空气中分别鉴定出87种（2023年）和84种（2024年）（图2d），并且人类线粒体序列在城市空气中也更为丰富。

图2 复杂自然群落环境中的采样位置和基于空气宏基因组eDNA 的人类遗传信息研究

2. 利用空气中的DNA对野生动物进行群体遗传学研究

NEE | 热点！宏基因组eDNA快速评估生物遗传多样性

通过长读测序获得了几乎部分后生动物的完整细胞器基因组（图3a）。从佛罗里达森林空气样本中检测到山猫（Lynx rufus）和金丝蜘蛛（Trichonephila clavipes）的eDNA，并成功进行种群遗传学分析。长读长测序获得完整的蛾类（Carposina sasakki）和火炬松（Pinus taeda）线粒体基因组，证实空气eDNA适用于野生动物种群研究。

图3 使用三代宏基因组测序对复杂自然群落环境中基于空气 eDNA 的野生物种种群遗传学进行分析

3. 通过空气中的DNA 进行病原体监测

从窗玻璃拭子中回收了一种禽类病毒（gemycircularvirus 17）的27.6倍全基因组覆盖率，而从空气样本中回收了同一种病毒的6,483.3倍（2023年7月，河口）和8.0倍（2023年都柏林市）全基因组覆盖率。都柏林市空气样本中共检测到63种病毒，以及221种潜在人类病原体，涵盖病毒、细菌、古菌和真核生物。

4. 生物勘探和AMR基因监测

从空气中DNA提取的遗传信息也可用于生物多样性生物勘探或抗菌药物耐药性（AMR）基因监测等。本研究在所有eDNA样本中检测到AMR基因，空气与沙土样本的AMR基因数量相当（图4a）。研究发现大多数AMR基因具有样本特异性，少数在不同样本间共享。

图4 基于空气DNA的微生物抗生素抗性基因监测

5. 空气eDNA的人类基因组变异检测

室内空气样本进行人类外显子组杂交捕获和全外显子组测序，获得了人类基因组变异信息，包括插入、缺失和超过217,149个SNP（图4b）。AMR和人类变异分析进一步凸显了空气中DNA在广泛遗传多样性应用中的实用性。

图4 基于空气DNA的人类遗传变异分析

6、疾病媒介和害虫监测

通过空气宏基因组eDNA成功检测到蚊子和蠓等疾病媒介物种的DNA，这为大规模疾病媒介物种监测开辟了新途径。同时检测到了例如黑家鼠、褐家鼠和小家鼠等人类疾病的哺乳动物媒介DNA，以及蟑螂、火蚁和白蚁等具有重大经济影响的城市害虫。不同测序平台对11种害虫物种的检测结果高度一致(R2=0.994)。

7、宿主-寄生虫评估

作为多站点宿主-寄生虫空气环境DNA数据恢复的一个例子，我们研究了蜜蜂和蜜蜂螨（狄斯瓦螨）信号。从空气样本中同时检测到蜜蜂及其寄生虫瓦螨(Varroa destructor)的DNA，为蜂群健康监测提供新方法。

8、过敏原和麻醉剂监测

此外，洋酒对不同环境的测序揭示了除生物多样性评估外其他应用的有用遗传信息。例如，空气中检测到花生（Arachis hypogaea）DNA，与季节性树木花粉变化相关。都柏林城市空气中还检测到大麻（Cannabis）和迷幻蘑菇（Psilocybe）DNA。

9、空气DNA门类水平评估

通过空气宏基因组eDNA检测到，样本中后生动物DNA比例高于水生样本，节肢动物是最主要的动物门类。抽取一周的空气样本中检测到的真核生物种类多于原核生物，水和沉积物样本的情况正好相反（图5）。此外，爱尔兰河水样本中虹鳟鱼的数量最多，都柏林市中心空气样本中尘螨的数量最多，威克洛山区空气样本中蠓的数量最多。说明宏基因组eDNA对于真核生物和后生动物物种，尤其是空气eDNA样本而言，是一种可行的方法。

图5 基于空气DNA宏基因组测序的生物多样性与病原体分析

10.快速生物多样性评估

原则上，eDNA散弹枪测序应能无偏向地表征滤液中DNA的原始比例，且不受条形码间和条形码内扩增偏差的影响。结合长读长测序和云分析，实现了从空气、水、土壤等样本中快速获取生物多样性信息。沙滩样本物种多样性最高，而空气样本在原生动物多样性方面表现突出。

当对同一空气样本进行宏基因组测序和12S脊椎动物宏条形码（PCR后进行扩增子测序）时，两种方法均可回收脊椎动物eDNA。PCR扩增偏差在空气宏条形码结果中明显存在，而宏基因组检测物种的遗传多样性更高，且检出物种更全面。

思考与讨论

本研究证实空气eDNA宏基因组测序技术能够快速、全面地监测生物多样性和遗传变异，首次实现单样本空气eDNA全生物群落分析（病毒→脊椎动物）。为生物多样性监测、群体遗传学研究、病原体与疾病传播媒介的基因组监测、过敏原与毒品监测、抗生素抗性监测，以及生物资源发掘等多个领域提供非靶向、信息丰富、由基因组学驱动的研究工具，为应对生物多样性危机、传染病监测、AMR基因追踪等全球挑战提供了创新解决方案。

参考文献

Shotgun sequencing of airborne eDNA achieves rapid assessment of whole biomes, population genetics and genomic variation. Nature Ecology & Evolution, 2025.

凌恩 深耕物种多样性研究，作为国内最早开展eDNA项目研究的公司，紧跟研究热点，推出基于基因组、宏基因组、浅宏基因组的eDNA物种多样性研究项目，帮助研究人员更深入的挖掘生物遗传多样性以及物种生态作用。