科学家利用粪甲虫收集 DNA 样本用于生物多样性研究

秘鲁的马努生物圈保护区是 世界上最大的雨林保护区 也是地球上生物多样性最丰富的地方之一。 马努是联合国教科文组织保护区，面积相当于康涅狄格州和特拉华州的总和，覆盖亚马逊河流域与安第斯山脉交汇处的地区。 这种组合形成了一系列独特的生态系统，每年都会发现科学未知的物种。 该地区地处偏远，有助于保护其生物多样性，但也增加了研究该地区的科学家所面临的挑战。

在茂密的丛林中捕获野生动物进行研究是不切实际的，特别是考虑到研究人员必须在马努境内穿越森林或水道的很长距离。 这是一个昂贵的提议，不可避免地会让被困的动物面临一定的风险。 捕获稀有和濒临灭绝的动物更加困难，而且 对动物有重大风险。

然而，捕获甲虫并不构成同样的挑战。 它们很容易捕捉，很容易运输，最重要的是，它们体内和身上都携带着许多动物的 DNA。 生物学家可能希望研究任何动物的森林中的树叶痕迹和粪便，而甲虫则通过清理这些东西来谋生。

甲虫作为 DNA 收集者

雨林中甲虫数量众多，亚历杭德罗·洛佩拉-托罗团队研究的物种并未濒临灭绝。 这项研究确实意味着甲虫被杀死，但总体而言，对生态系统的影响很小。

秘鲁生物学家兼团队成员帕特里夏·雷耶斯表示，“影响取决于每个物种的丰度和繁殖周期。 减少甲虫数量可能会对其捕食者产生影响，例如鸟类、爬行动物和其他昆虫。 森林的健康取决于甲虫分解有机物和传播种子的功能。 尽管到目前为止尚未发现对生态系统有任何影响，但我们仍然限制收集甲虫个体的数量，并确定禁止收集的敏感区域。 我们提倡可持续的收集方法，以减轻未来可能产生的影响。”

让甲虫为研究人员收集 DNA 的工作需要进行一些调整。 通常用于研究甲虫的陷阱会使甲虫落入化学溶液中，从而杀死并保存它们，直到它们被收集起来。 然而，这些陷阱会污染甲虫的胃内容物，导致 DNA 无法使用。 洛佩拉-托罗的陷阱让它们得以存活，保护甲虫辛辛苦苦收集的精致 DNA 链。 他和他的团队还深入森林手工采集活甲虫，并仔细记录每只甲虫的采集时间和地点。 从 2022 年 7 月开始，该团队一直在马努不同生态系统中沿海拔梯度（从海拔 500 米到 3,500 米）收集粪甲虫。

马努生物站团队正在使用纳米孔技术对甲虫胃中发现的 DNA 进行测序，目的是找出其中代表的动物。 他们专门针对粪甲虫，因为它们的食性依赖于大型动物留下的粪便。 Nanopore minION 设备的主要优点是它可以现场分离长长度的 DNA。 “长纳米孔测序读数可增强物种识别，而实时数据分析可立即获取结果，无论是在现场还是在实验室，” 纳米孔网站。

生物学家朱莉安娜·莫拉莱斯 (Juliana Morales) 承认，纳米孔的错误率仍然很高，但随着这项新技术的完善，这个问题正在不断减少。 对于马努生物站团队来说，误差幅度是他们愿意为拥有可以在雨林中使用的设备而支付的价格。 由于他们不是研究某个特定物种，而是建立该地区存在的物种的数据库，因此他们不需要正确地识别每个核苷酸来识别该物种。 然而，它们确实需要一根足够长的线来区分普通毛猴和黄尾毛猴。

尽管研究人员更喜欢使用 Nanopore minION 设备现场进行 DNA 测序，但当他们有十多个样本需要分析时，他们会将它们发送到加拿大安大略省圭尔夫大学。 将样本从秘鲁丛林运送到加拿大在后勤上是一场噩梦，但洛佩拉-托罗表示这是值得的。 “圭尔夫大学每天可以处理数百个 DNA 样本。 如果我们每天能在实验室处理 10 个样品，我就很幸运了 [Manu] 实验室。”

在最近一批 76 个样本中，他们分析了 11 属 27 种甲虫的胃内容物。 他们从这 76 个样本中鉴定出了吼猴、蜘蛛猴、红花鹿、夜猴、西貒、负鼠、红胸鹌鹑和两种犰狳的 DNA。 奇怪的是，这些甲虫还吃过大约十几种水果，其中一种吃的是一种叫做合果属的热带植物的花粉。

其影响可能是巨大的。 洛佩拉-托罗说：“吃了美洲虎粪便的粪甲虫不仅会告诉我们美洲虎的 DNA，还会告诉我们美洲虎吃的是什么。” “如果美洲虎杀死一只西貒并吃掉 80% 的西貒，那么甲虫就会吃掉另外 20% 的部分。 如果甲虫走过美洲虎的脚印或唾液，甲虫上可能会有美洲虎 DNA 的痕迹。 我们分析了甲虫的胃内容物和外部。 通过研究这些小昆虫，我们有无数的选择、机会和问题可以回答。 我们可以看到丛林中正在发生的事情的更大图景。”