环境RNA揭示水蚤的热应激

乙我们周围的每一寸环境，从我们踩过的地面，到我们饮用的水和我们呼吸的空气，都可能包含来自居住在我们世界上的其他生物体的遗传信息。但直到最近，研究人员还缺乏利用这些信息所需的工具，这些信息以环境DNA(eDNA)或环境RNA(eRNA)的形式出现。近年来，虽然科学家们开始探索eDNA的用途，但很少有人研究其变化无常、更难以捉摸的姊妹eRNA。现在，加拿大的一组研究人员已经使用eRNA识别水蚤的热应激迹象，他们在11月18日发布在bioRxiv上的预印本中报告说。

加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚大学的生物化学家CarenHelbing说，这是最早使用eRNA推断生物体健康状况的研究之一，他没有参与这项研究。“有很多关于使用环境RNA的猜测，”她说。“看到这种猜测如何开始成为现实真是太棒了。”

所有动物一生都会脱落皮、排泄物和其他废物。这种有机碎屑中的eDNA沉积在周围环境中，平均可以完整保存数周。在2010年代中期，eDNA作为监测生物多样性和社区构成的新工具开始大行其道。通过采集河流、湖泊、海洋甚至空气的样本，科学家们可以提取微量DNA并用它来确定该地区生活着哪些物种，所有这一切都无需看到或捕捉动物。

请参阅“科学家通过自由漂浮的DNA识别数十种植物和动物”

“从字面上看，它改变了我们评估环境以及气候变化和人类对我们周围生态系统的影响的方式，”Helbing说。

除了eDNA，生物体还会释放eRNA。然而，尽管近年来eDNA已成为生态系统生态学家的宝贵工具，但eRNA并未受到同样的关注。根据罗伯特·赫克勒(RobertMasakiHechler)，多伦多大学的水生生态学家和预印本研究的合著者，这是因为RNA通常不如DNA稳定，降解速度如此之快以至于许多科学家认为很难或不可能足够快地收集和分析它以获得任何结果。然而，生态学家和eDNA科学家长期以来一直推测，如果可能的话，分析eRNA可以提供eDNA无法提供的对生态系统健康的洞察力。具有讽刺意味的是，科学家们认为，eRNA的快速降解可能使其能够更准确地了解系统中目前存在的生物体。此外，生物体脱落的RNA可以在其整个生命过程中发生变化，而其DNA会随着时间的推移保持不变。

在显微镜下，一只水溞躺在灰褐色载玻片上，圆形、透明的身体中间有绿色条纹。黑色针指向水蚤的前方，图像被黑色圆圈限制。

显微镜下展示的实验中培育的其中一株水溞。

罗伯特正树赫克勒

“生物体产生的RNA会响应环境或其他压力因素而发生变化，”Hechler解释说，因此“通过RNA，我们可以深入了解[生物体]的实际情况。”

Hechler与他当时的导师、麦吉尔大学的生态学家MelaniaCristescu合作，后者在2019年的一篇评论文章中提出了使用eRNA的想法，以确定是否有可能不仅捕获和分析核酸片段，而且使用它们来确定人群是否正遭受热应激。Hechler和Cristescu以及其他科学家在实验室中设置了八个人工湖水池，培养了水溞(Daphniapulex)种群，这是一种常用于生态学实验的水蚤。然后他们将一半水箱的温度设置为20°C，这对于水蚤来说是正常的，另一半温度为28°C，几乎足以杀死甲壳类动物。然后，研究小组从每个水箱中取出含有有机体RNA(oRNA)的组织样本和含有eRNA的水样，并立即将它们放入-80°C的冰箱中，以防止RNA降解。Hechler解释说，oRNA样本是衡量生物体健康状况和压力反应的黄金标准。通过将它们与eRNA样本进行比较，他和Cristescu希望他们能够判断后者是否提供了有用的信息。

“这是为了测试eRNA是否真的能做我们希望它能做的事情而进行的第一个正确的实验，”Helbing说。

研究人员将样本稍微解冻，以便提取RNA，并使用RNA测序技术查看每个样本的基因表达谱。水溞下调某些基因以应对高水平的热应激，研究人员希望能够通过水溞的RNA分析检测到这种变化与无压力对照相比，在加热罐中。总的来说，研究人员能够在oRNA样本中识别出比在eRNA样本中多得多的基因转录本，这是有道理的，因为oRNA直接来自生物体，而eRNA来自生物体的痕迹。然而，科学家们仍然能够从eRNA中识别出32个响应热应激而差异表达的基因，其中17个与通过oRNA采样检测到的差异表达基因一致。Hechler说，这证实了他、Cristescu和其他科学家所希望的：eRNA可用于确定生物体如何对其环境作出反应。

伦敦玛丽女王大学的分子生态学家JoanneLittlefair没有参与这项工作，她说她很高兴看到eRNA研究的腾飞。“目前全球对生物多样性的关注如此之大，”她说。“人们非常关注生物监测，以及我们可以快速、高效、无创地收集数据的各种方式。所以我认为这种[创新]来得正是时候。”

Hechler说，下一步是将这项研究带入该领域，因为在该领域eRNA更难预测且更难收集。在为更大的生态系统规模微调eRNA研究时，他说他希望有一天它可以用来捕捉生态系统中环境压力​​的“早期预警信号”，从而及时发现问题并采取补救措施以保护生态系统或拯救生物免于灭绝。“我希望人们会开始做那样的研究，”他说。“那真的很令人兴奋。”