【科技通訊】 世界性大河的第三維：長江橫斷面魚類eDNA采樣策略研究

第一作者：張顏

通訊作者：張效偉

通訊單位：南京大學環(huán)境學院

論文DOI：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c03890

圖形摘要

總結(jié)

【環(huán)境 DNA科技賦能，引領(lǐng)長江水生態(tài)監(jiān)測、評估與保護】

世界性大河對于實現(xiàn)新的全球生物多樣性框架的目標至關(guān)重要，迫切需要形成快速準確的生物監(jiān)測策略。環(huán)境DNA（eDNA）技術(shù)已被廣泛用于淡水生態(tài)監(jiān)測。然而，世界性大河如長江中下游橫斷面超過1千米寬，深度可達數(shù)十米，其適用性仍需深入研究。本研究通過在長江下游的兩個橫斷面進行系統(tǒng)的空間采樣，揭示了魚類eDNA斷面分布的空間異質(zhì)性。相較于在單一垂直分層或水平位置采樣，隨機采樣策略可獲得更多的魚類物種。根據(jù)累積曲線外推結(jié)果，采集超過100升的水以實現(xiàn)90%以上長江下游斷面魚類系統(tǒng)發(fā)育多樣性（ASV）的監(jiān)測，而至少60升水以實現(xiàn)90%以上長江下游斷面魚類物種多樣性的監(jiān)測；同時，我們建議布點需要考慮橫截面的空間差異。本研究驗證了eDNA方法在世界性大河魚類監(jiān)測的適用性，同時強調(diào)了將橫斷面納入世界性大河生物監(jiān)測第三維的必要性。

上述研究成果近日以“Fishing eDNA in one of the world's largest rivers: a case study of cross-sectional and depth profile sampling in the Yangtze”為題，在線發(fā)表于環(huán)境領(lǐng)域著名學術(shù)期刊Environmental Science & Technology上。

研究背景

全球性大河，如長江、尼羅河、亞馬遜河等，是連接陸地與海洋的關(guān)鍵生態(tài)樞紐。它們孕育著豐富的生物多樣性，為全球的生態(tài)系統(tǒng)提供重要的生態(tài)功能與服務(wù)。然而，這些壯麗的河流也面臨著污染、過度開發(fā)、水壩建設(shè)和城市化等多重威脅，對其生態(tài)健康構(gòu)成挑戰(zhàn)。

長江作為我國第一大河，擁有獨特生態(tài)系統(tǒng)，被視為生態(tài)寶庫。為了保護長江的生物多樣性，自2021年1月1日起，長江全域?qū)嵭小笆�年禁漁”，禁止傳統(tǒng)的捕撈方式，這使得傳統(tǒng)方法的魚類監(jiān)測遇到瓶頸。近年來，eDNA技術(shù)的突破為生物監(jiān)測和生態(tài)功能評估提供了便捷和高效的工具，但在應(yīng)用于長江這樣巨大規(guī)模的水域時仍面臨挑戰(zhàn)。

圖1 長江斷面魚類eDNA采樣方法

圖文導讀

1. 高通量測序平臺的一致性

本研究首先比較了三種測序平臺（華大基因MGI，Illumina NovaSeq和Ion Torrent S5）的超深度測序結(jié)果。三種測序平臺共同檢測出 86.17 %（162/188）的魚類ASV和93.33 %（42/45）的物種。各平臺監(jiān)測的魚類α多樣性無顯著區(qū)別。這表明，當測序深度非常高時，各平臺之間的差異不顯著，而α多樣性具有穩(wěn)健性。

圖2 三種測序平臺魚類檢出結(jié)果比較

2. 魚類eDNA在斷面中的分布不一致

兩個橫斷面內(nèi)魚類eDNA均具有顯著的空間分層。僅約7%的ASV在所有位置組合中檢出，超過一半的ASV僅在垂直層次和水平位置的單一組合中被檢測到。該結(jié)果揭示了魚類eDNA在長江斷面的空間異質(zhì)性分布，進一步證明將斷面分布納入長江等世界性大河生物監(jiān)測的重要性。

圖3 魚類ASV橫斷面空間分布模式

圖4 魚類ASV和物種在斷面不同位置組合的檢出

3. 長江魚類eDNA采樣策略

物種累積性曲線外推結(jié)果表明，考慮斷面空間分布的隨機采樣策略比在單一垂直層次或水平位置采樣可獲得更多的魚類多樣性。另外，獲得90 %的魚類ASV需要采集100升以上的水樣，而獲得90 %的魚類物種需要約60升的水樣。

圖5 不同采樣策略的累積性曲線外推結(jié)果

小結(jié)

本研究驗證了eDNA方法應(yīng)用于長江等世界性大河生物監(jiān)測的適用性，證明了將橫截面納入生物監(jiān)測第三維的必要性。研究成果為世界性大河生物監(jiān)測和保護提供并測試了一種可擴展且廣泛適用的策略，這將有助于評估并推動其生物多樣性保護和生態(tài)修復措施。

研究受國家重點研發(fā)計劃等科研項目《長江生態(tài)系統(tǒng)重要指示種與生態(tài)健康評估》(2022YFC3202101)、污染控制與資源化研究國家重點實驗室和國家留學基金委“國家建設(shè)高水平大學公派研究生項目”資助。

第一作者介紹

張顏，南京大學博士研究生，研究方向為環(huán)境DNA生物監(jiān)測、河湖生物多樣性生物地理格局及驅(qū)動因素。參與多項國家自然科學基金項目及國家重點研發(fā)計劃，相關(guān)研究發(fā)表在Environ. Sci. Technol.、Environment International等學術(shù)期刊上。

參考文獻

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