eDNA在海洋生物多样性计算中的有效性

研究人员对圣塔海带森林进行了近20年的详细调查。通过计算鱼类种类并将其置于环境条件下，沿海海洋生态学家可以观察人类活动和自然驱动因素对海带的影响及其维持海带森林群落的能力。

　　

米勒负责这个由美国国家科学基金会支持的网站的研究。UCSB为他和他的合作者——包括海洋生态学家托马斯·拉米蒙彼利埃大学(现在),博士后研究员克里斯蒂约克和同事弗朗西斯科查韦斯和凯萨琳建立从MBARI(蒙特雷湾水族馆研究所)——不仅仅是人口普查的潜水员部署到员工;研究人员还对β多样性感兴趣，即使对经验丰富的生态学家来说，β多样性也可能是一个有点复杂的概念。

米勒说:“有很多不同的方法来衡量它，但我认为它是物种从一个地方到另一个地方的更替。”“和你上次去的地方相比，一个地方有多少新物种?”所以很明显，你走得越远，脂肪含量就越高。”

贝塔多样性可用于衡量特定地区之间随着时间的推移的生物多样性总体状况，从而在一定程度上表明这些地区的生态健康状况。更高的beta多样性数字(更多不同的物种)可能表明，系统能够支持各种相互关联的生命形式。beta多样性值越低(不同物种越少)，可能意味着环境已经变得只有某些生物能够生存，其影响可能会波及到邻近的空间。

但是，在SBC LTER计算物种有它的挑战。一方面，它在水下，需要潜水员进行水下视觉调查，或部署和监控特殊设备，如摄像机。另一方面，许多物种是可移动的，在这些调查中往往没有代表。

米勒说:“有些可能是在你取样的时间以外，比如晚上或白天的不同时间。”他补充说，还有一些则是神秘的，或者太小而难以察觉。

进入环境的DNA。

加州莫斯兰丁市MBARI的研究助理凯瑟琳·皮茨解释说:“当有机物在水中移动时，它们会通过带有DNA的排泄物或脱落物质留下分子痕迹。”“我们现在知道，有可能在海水中检测这些被丢弃的DNA，并确定它来自哪个物种。”

在《科学报告》杂志上发表的一篇论文中，研究人员证明了eDNA分析在测量水生环境中的beta多样性方面的有效性。对水进行取样并分析其DNA，结果得出了样本采集期间附近物种的清单——根据这篇论文，这是“生物多样性的罗塞塔石碑”。

在这项研究中，研究人员与南加州湾海洋生物多样性观测网和中、北加利福尼亚海洋观测系统(CenCOOS)中加利福尼亚海洋生物多样性观测网合作，比较了从圣巴巴拉海岸沿线9个地点采集的eDNA样本的结果在圣克鲁斯岛附近的两个地方进行了水下视觉普查(UVC)的结果。Pitz解释说:“通过比较这两种数据来源，包括视觉数据和基于eDNA的数据，我们可以开始回答一些问题，即eDNA能在多大程度上检测出我们知道在这一长时间视觉序列中存在的不同鱼类物种。”

米勒说:“eDNA能够检测到比潜水员数量多得多的物种，这并不特别令人惊讶，因为鱼类通过黏液和呼吸等方式将它们的DNA释放到水中。”与水下调查数据相比，更高分辨率的eDNA结果让研究人员更清楚地了解了该地区不同鱼类和鱼类科的存在和分布。MBARI的海洋生物学家Francisco Chavez说:“这项研究表明，eDNA在捕捉海带海床生物多样性方面的表现与潜水员视觉调查一样好，甚至更好。”重要的是，“eDNA提供了一种支持改善海岸管理的尺度观测方法。”

根据米勒的说法，在丰度方面，eDNA物种检测与UVC获取的信息一致。

“它们与潜水员的调查结果非常吻合——潜水员看到的大量鱼类在eDNA样本中也非常丰富，”他说。“这种差异实际上存在于更稀有的物种，或通常被统计较少的物种中，我们在eDNA中看到的这些差异比在潜水员调查中更一致。”通过eDNA和目视调查，发现了se?orita、黑鲈、羊头和加里波第等物种的相对丰度较高。

与此同时，eDNA成功地捕捉到了豹鲨和蝙蝠魟的存在，而视觉调查没有捕捉到。它还首次在LTER发现了一些物种，如加利福尼亚蜥蜴鱼和条纹冲浪鲈——已知生活在附近的沙底地区的鱼类——以及高度灵活的大白鲨。

有了eDNA强大的探测能力，潜水员的调查就到此结束了吗?不,米勒说。

他说:“eDNA的好处是它确实提供了时间整合，让你更好地了解在你取样的时间之外可能会有什么。”“但很难断定他们是否真的在现场。”这种DNA可能传播了很长的距离，有些鱼可能比其他鱼脱落的更多。

Pitz补充说:“我们仍在研究控制海水中eDNA存在的不同因素，比如DNA在降解之前在水中能维持多久，或者鱼能多快留下足够的物质让我们在样本中检测到它的DNA。”

此外，引用元编码结果的鱼类DNA数据库也需要改进。(检测到的几个DNA序列在文库中找不到。)“更多的研究，”米勒说，“将提高解释eDNA数据的信心。”

“我们不认为这将取代传统方法，但它确实是一个很好的额外数据来源，可以用来观察这些鱼类群落和其他群落是否正在发生变化，”他补充说。“eDNA将是扩大海洋监测的一种非常有用的方法，特别是对难以观察到的稀有物种和栖息地，比如深水，与派遣专业的鱼类计数潜水员或潜水器相比，花费更少的精力和成本。”

Journal Reference:

1. Thomas Lamy, Kathleen J. Pitz, Francisco P. Chavez, Christie E. Yorke, Robert J. Miller. Environmental DNA reveals the fine-grained and hierarchical spatial structure of kelp forest fish communities. Scientific Reports, 2021; 11 (1) DOI: 10.1038/s41598-021-93859-5