Methods in Ecology and Evolution

2025年9月3日，北京大学生命科学学院和生态研究中心姚蒙研究组在Methods in Ecology and Evolution发表题为“Robust passive sampling of airborne environmental DNA to monitor plants and animals”的封面论文。该研究自主设计了一种高效便捷的被动采样方案，通过材料比较与时间效应解析，证实静电除尘纸（EDC）作为一种经济、便捷的被动采样器材料，仅一天时间即可高效捕获空气中的动植物多样性信息，为大尺度、高时间分辨率的陆生生物多样性调查及物候动态监测提供了有力的技术支持。

环境DNA（eDNA）技术通过检测环境样品中的DNA成分，即可得知周边生存的生物信息，灵敏度高，精准高效，具备传统动植物调查难以实现的大范围高精度监测的能力。目前，这项技术在水体、沉积物等环境中的应用已相对成熟。

空气eDNA原理示意（Bohmann and Lynggaard, 2023 TREE）

空气富含各种生物释放的DNA，是进行生物多样性调查和了解周边环境状况的重要信息来源，并同我们的生活和健康直接相关。然而，目前空气eDNA的相关研究刚刚起步，其常见采集方法通常依赖沉重的泵等设备及持续电源供应，其复杂性限制了广泛应用。因此，亟需开发简易、便捷、高效且不需复杂装置的空气eDNA采集方法。

为解决空气eDNA采集难题，本研究首先挑选了14种不同类型的吸附材料（包含9种滤膜类材料与5种黏附类材料）作为采样器，采用极简方式进行空气eDNA的被动收集，即不需要电源等动力，仅将这些材料悬挂在空气中即可进行采样。实验在春、秋两季开展，比较不同材料在自然状态下对动植物多样性信息的检测能力（图1）。

图1. 空气eDNA被动采样器材料比较实验秋季（左）与春季（右）采样照片。

本研究于北京大学校园内每季节进行1~9天采样。在动、植物仅各使用一对通用引物扩增的情况下，即检出485个植物与132个脊椎动物分类单元（MOTU），显示空气eDNA被动采样器具备很好的收集效果。对比多种材料的检测效果，发现其中一种基于静电吸附原理的材料EDC表现最佳（图2）。

图2. 不同材料植物（a）与动物（b）多样性检出效果比较及结果中各科相对丰度占比（c,d）。

为进一步探究采样时长对eDNA吸附效果的影响，使用比较实验中效果最好的两种材料（EDC和PES），分别以1、2、3、5、7、9天的时长进行采样。结果显示空气eDNA的组成更迭很快，采样时长与检测到的植物多样性负相关，与脊椎动物多样性正相关（图3）。说明样品更多反映的是当下空气中eDNA的组成，而非多日累积的结果，增加采样频率比延长单次采样时间更可能检测到更多物种。结合采样期间同步进行的植物物候调查，eDNA检出优势类群的变化同收样当天周边植物的物候（传粉）情况相关，可反映其物候状态。

图3. 采集时长对植物（a）与动物（b）多样性检出效果的影响。

随后，对空气eDNA的潜在来源进行分析，发现空气eDNA来源复杂，不论风媒还是非风媒植物，也不论植物在采样期间是否处于花、果期，均可被空气eDNA检出（图4）。因此，空气eDNA可以比花粉等监测方法更全面地反映周边植物群落的多样性信息。

图4 不同传粉方式（a）与所处物候期（b）的植物在不同季节空气eDNA样品中检出的MOTU占比及序列丰度占比。

该研究有力证实其采用的空气eDNA被动采样技术可作为一种稳定高效且标准化的方法应用于未来的研究中。同时因其所用材料十分经济易得、操作极为简便，有望在大尺度范围内实现高时空分辨率的广泛应用。

北京大学生命科学学院博士生林芮昀为本论文的第一作者，姚蒙研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和重点研发计划项目的支持。

论文作者林芮昀在采集样品

研究组介绍

姚蒙：

北京大学生命科学学院、北京大学生态研究中心研究员。

实验室研究领域：

研究方向：分子生态学 & 生物多样性

我们将分子生物学方法与野外调查采样相结合，通过实验室分析和生物信息学分析，解析多种生态学问题，研究方向主要包括：

1. 利用环境DNA（eDNA）研究生物多样性分布模式和环境影响因素

生物不断释放DNA到其生存环境中，因此通过检测环境样品（包括水、土壤、空气等）中的DNA（即环境DNA）可以获得生物物种分布、种群规模、种间关系等重要信息。这种方法无损伤性、灵敏度高、准确高效，是目前生物多样性研究的前沿领域。我们利用eDNA方法，开展包括城市鱼类多样性、青藏高原及云南地区水体多类群生物多样性、南水北调水系生物输送、沿海生物分布及人类影响等研究课题，为了解生物多样性格局、理解群落构建机制、评估人类活动的生态影响等提供科学数据。同时，我们致力于新型eDNA采样方法的研发，为采集各类环境中的生物信息提供技术支撑。

2. 分子食性和食物网关系研究

食物网关系是生态系统关系的核心组成部分，了解动物的食性是理解种间关系和生态系统过程的重要前提。我们利用动物粪便DNA结合宏条形码高通量测序，分析我国青藏高原、西南山地等多个生态系统中多种食肉动物的精细食性结构，构建复杂定量食物网关系。该些研究对于认识在不同食肉动物的生态系统功能、共存机制及野生与家养动物之间的关系有重要意义，并为保护和管理生态系统提供指导。

3. 野生动物的种群遗传学研究

了解野生动物的遗传多样性和种群结构对认识其进化过程及种群动态具有重要意义，种群之间基因流的模式对于了解物种的繁殖结构和种群参数也至关重要。我们利用分子遗传学技术结合野外种群调查，分析包括白头叶猴、海陆蛙、东方铃蟾等多个物种的种群遗传结构，评估不同种群的基因交流水平，并反演其种群数量历史动态。这些信息为评估各种生态及人为因素对物种遗传结构的影响提供依据，据此可制定更合理有效的策略以保护物种的遗传多样性。