环境DNA宏条形码技术监测溪流底栖动物多样性研究

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随着全球物种多样性持续下降,淡水生态系统亟需开发并行化生物监测模式,以加快管理条约的制定与保护措施的完善。底栖动物作为水质监测的理想指示生物,在响应人类活动压力和指示生态系统健康状况上具有重要价值。而传统的鉴定方案主要依靠形态学特征,耗时且高专业性的分类过程中通常需要投入大量精力。环境DNA是生物释放到外界环境的信号,能为研究者提供可靠的基因信息。储存生物标本的乙醇保存液是一种有效的环境DNA来源,可以批量化地获取物种分类数据而不会干扰形态分析。目前对乙醇方案中环境DNA宏条形码技术适用性的评估主要在低样本量下进行,缺少大规模、重复性的论证。此外,水环境样本支持的高通量处理管道已广泛地运用于各类淡水生态系统中。两种方案的应用前景和可检测性仍值得关注与探索,但尚未有研究正式比较两者在底栖动物检测中的表现。本研究采用滤膜法,从42份未经分拣的生物样本中回收乙醇溶液作为环境DNA来源,以验证乙醇保存液监测溪流底栖动物的可行性和稳定性。在形态学鉴定的基础下,我们从群落组成和多样性分析调查了乙醇保存液在溪流生态系统中的检测表现,并评估了对形态学数据中低丰度(小于总丰度的1%)、中丰度(1-5%)和高丰度(>5%)生物类群的检测能力。结果表明,所有乙醇样本都产生了可靠的底栖动物分子数据,恢复了形态学鉴定得到的19个目,且获得了更高的物种丰富度(858 vs.229)。Pearson相关性分析表明,两种方案在EPT类群的物种丰富度中显示出强烈的一致性(p<0.001,r=0.677),但在底栖动物群落中相关性较弱。此外,42份乙醇样本对底栖动物形态学的平均检出率为55.42%,EPT类群中高达71.77%。乙醇样本对中丰度和高丰度形态学类群的检出率更好,平均检出率分别为74.29%和97.46%,但对于低丰度类群的检测能力较弱(39.16%)。其中24个采样点获得的序列相对丰度与标本个体数呈显著相关。为了进一步了解乙醇保存液和水环境样本在溪流多样性评估中的适用性和运用潜力,我们从群落组成、多样性分析和形态学恢复率比较了 14组乙醇和水环境样本对淡水生物的检测结果和对形态学分类群的恢复情况,并总结了两种环境样本优势与不足。水环境样本中聚集了更多的可用OTUs(2,866 vs.2,406),但实际检测出的底栖动物OTUs数量却少于乙醇样本(478 vs.548)。在所有采样点中,两种环境DNA方案在推断的群落组成上存在较大差异(p<0.001)。此外,乙醇样本比水环境样本具有更高的形态学检出率(24.24%vs.17.63%,p=0.002),特别是在高丰度形态学类群中。两种环境DNA样本可以提供形态学鉴定结果中没有的物种,主要是摇蚊科(Chironomidae)和仙女虫科(Naididae)。本文提供了一种优化的低成本乙醇环境DNA方案,并验证了乙醇样本的可检测性与稳定性。在局部尺度的多样性研究中,具有高覆盖度的乙醇保存液能有效地补充底栖动物的形态学数据,为分子生物监测程序提供新的选择。而水环境样本简化了野外的工作流程,更适合描述整个群落的物种多样性格局。
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