多组学环境监测揭示分子信号何时反映生命活动

环境分子监测已改变生物多样性检测方式，但大多数方法仅通过扩增的DNA片段捕获物种存在信息，因而遗漏了天然核酸中所编码的生物学信息。在此，我们表明，来自水样的单个Oxford Nanopore鸟枪法测序文库可以从数个相互独立的生物学视角进行解读，并且每一类分子（环境RNA、CpG甲基化和总DNA）在环境中的持留时间各不相同，由此决定了其信号在多长时间范围内是可信的。我们对太平洋鲑鱼的洄游产卵过程进行采样，同时获得了指示新鲜生物输入的环境RNA、反映年龄组成的CpG甲基化谱，以及反映健康状况的病原体特征。环境RNA能够追踪产卵物候；qPCR结果证实，在所采样的数周内，新鲜生物输入的时间进程与之相符；基于甲基化的年龄推断仅在新鲜DNA占主导时成立，我们将这一条件称为“新鲜度闸门”（Freshness Gate）。由于环境水样并非组织样本，我们将功能性转录本检测为生物输入的证据，但不据此推断差异基因表达；我们能够读取甲基化状态，但在“新鲜度闸门”之外不推断生物学年龄。方差分解结果与生物学新鲜度相一致，表明环境甲基化的结构主要由其决定，而非由片段长度或测序深度等技术因素决定，尽管这些比较在九个时间点上均未达到显著性。我们在帝王鲑中观察到相似的动态变化，其时间偏移与该物种独特的产卵季节相一致。通过界定环境分子何时能够忠实编码活体生物学信息，以及降解何时会使信号与当前状态脱钩，我们的框架为多组学环境监测确立了实践和理论边界。

环境分子监测已改变生物多样性检测方式，但大多数方法仅通过扩增的DNA片段捕获物种存在信息，遗漏了天然核酸中所编码的生物学信息。在此，我们表明，来自水样的单个全基因组随机测序（shotgun）Oxford Nanopore测序文库可以从多个彼此独立的生物学视角进行解读，并且每一类分子（环境RNA、CpG甲基化和总DNA）的环境持留时间各不相同，从而决定了其信号在多长时间窗口内具有可信度。通过对太平洋鲑鱼产卵洄游过程进行采样，我们同时获得了表明新鲜生物输入的环境RNA、反映年龄组成的CpG甲基化谱，以及反映健康状况的病原体信号。环境RNA追踪了产卵物候；qPCR证实，在所采样的数周内，新鲜生物输入的时间变化与之相符；基于甲基化的年龄推断仅在新鲜DNA占主导时成立，我们将这一条件称为“新鲜度门控”（Freshness Gate）。由于环境水样并非组织样本，我们将功能性转录本作为生物输入的证据，但不推断差异基因表达；我们读取甲基化状态，但在“新鲜度门控”之外不推断生物学年龄。方差分解结果与生物学新鲜度对环境甲基化模式的塑造相一致，而非支持片段长度或测序深度等技术因素的作用，尽管这些比较在九个时间点上均未达到显著性水平。在大鳞大麻哈鱼中也观察到类似的动态，其时间偏移与该物种独特的产卵季节相一致。通过界定环境分子何时能够真实编码活体生物学信息，以及何时因降解而使信号与当前状态脱钩，我们的框架为多组学环境监测确立了实践和理论边界。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.04.749360v1?rss=1

🏷️ 环境DNA与环境RNA 多组学环境监测 CpG甲基化 生物信号新鲜度 鲑鱼洄游产卵 分子生态学