多标记eDNA宏条形码技术揭示了亚热带沿海珊瑚礁生态系统中更为丰富的珊瑚生物多样性

《Marine Environmental Research》：Multi-marker eDNA metabarcoding reveals more abundant coral biodiversity in a subtropical coastal reef ecosystem

珊瑚礁多样性监测中多标记环境DNA技术（eDNA）的应用研究表明该方法较传统潜水调查能检测更多珊瑚属（42 vs 23）和种（77 vs 63），55%属重叠验证其可靠性。空间分析显示近岸城市化区域为冷点，外海为生物多样性热点；秋季eDNA检出率最高。水质参数（水温/盐度/营养盐）显著影响eDNA丰度及检测模式，尽管存在数据库不全和引物偏倚等挑战，该技术为快速监测珊瑚群落时空变化提供了高效互补方案。

　　环境DNA（eDNA）测序技术近年来在生物多样性监测领域得到了广泛应用，尤其是在难以通过传统视觉调查手段进行观察的生物类群中。这项技术的核心理念是利用生物体释放到环境中的DNA片段，如水体或沉积物中的遗传物质，来推断生物的分布和多样性。相比传统的水下视觉调查，eDNA方法不仅减少了人力和培训成本，还降低了安全风险，并且能够更有效地识别那些在常规调查中容易被忽略的稀有、隐蔽或幼年生物。eDNA测序技术的这些优势，使其成为评估珊瑚礁生态系统的一种有力工具。

本研究以中国深圳东部沿海水域为对象，应用了多标记环境DNA测序方法，同时针对核基因（ITS2）和线粒体基因（12S）进行分析，以评估硬珊瑚的多样性。通过比较eDNA方法与传统水下视觉调查的结果，研究发现eDNA技术在物种和属的检测数量上均优于传统方法，分别检测到42个属和77个种，而传统方法仅检测到23个属和63个种。这一结果表明，eDNA方法能够提供更全面的珊瑚多样性信息，并且具有较高的可靠性。此外，研究还发现55%的属在两种方法中均被检测到，进一步验证了eDNA方法在珊瑚监测中的有效性。

深圳东部沿海的珊瑚礁生态系统具有重要的生态价值，不仅是生物多样性的热点区域，还为渔业提供了重要的育幼场所，同时在海岸保护和碳储存方面发挥着重要作用。然而，这些珊瑚礁正面临日益加剧的人类活动压力，包括快速的城市化进程、污染、过度捕捞和旅游开发等。自然因素如风暴和珊瑚白化事件同样对珊瑚礁构成威胁。这些压力因素往往相互作用，导致珊瑚礁生态系统的快速变化，因此迫切需要一种高效、准确且可扩展的方法来评估珊瑚的多样性及其空间和时间分布。

传统的珊瑚礁调查方法通常依赖于水下视觉计数，记录物种的存在、数量和覆盖情况。虽然这种方法能够提供高分辨率的数据，但其实施过程往往需要大量的人力和专业知识，且存在一定的安全风险。此外，对于隐蔽或数量较少的物种，传统方法往往难以准确识别。因此，传统调查方法在大规模监测中存在局限性，难以全面反映珊瑚礁的多样性。相比之下，eDNA技术通过分析环境中的DNA片段，能够更全面地捕捉珊瑚群落的组成，尤其在检测稀有或幼年珊瑚方面具有明显优势。

eDNA测序技术在珊瑚礁生态系统中的应用已经取得了显著进展。例如，Shinzato等人首次从海水中直接回收了Acropora（鹿角珊瑚）的eDNA，表明单个珊瑚属可以通过eDNA技术进行检测。随后的研究进一步验证了eDNA方法在不同空间尺度上的有效性，如在冲绳（日本）的研究中发现，eDNA方法能够在仅1公里的空间尺度上解析珊瑚群落的差异。在夏威夷，Nichols等人的研究发现，eDNA方法与传统的带状样带调查结果高度一致。而在印度尼西亚和澳大利亚的珊瑚礁中，Alexander等人则发现eDNA方法在某些特定物种的检测上存在一定的偏差，这表明虽然eDNA技术具有广泛的应用前景，但在不同生态环境下仍需进行优化和校准。

此外，eDNA技术在珊瑚礁监测中的应用还受到多种环境因素的影响。例如，水温、盐度和营养物质浓度等参数能够显著影响珊瑚eDNA的丰度和检测模式。在本研究中，秋季的检测率最高，这可能与当时的环境条件有助于eDNA的持久性有关。同时，研究还发现，深圳东部的珊瑚礁在空间分布上存在显著差异，离岸区域的珊瑚多样性较高，且受到人为干扰较少，而近岸的城市化区域则形成了“冷点”，即珊瑚多样性较低的区域。这一发现强调了保护离岸珊瑚礁生态系统的重要性，同时也为城市化进程中珊瑚礁的管理提供了科学依据。

尽管eDNA技术在珊瑚礁监测中展现出诸多优势，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，参考数据库的不完整性可能导致物种识别的偏差，而引物设计的偏好性也可能影响检测结果的准确性。此外，环境因素的变化，如水体污染、温度波动和营养物质浓度的增加，都可能对eDNA的提取和分析产生干扰。因此，为了提高eDNA方法的准确性和应用价值，需要进一步完善参考数据库，优化引物设计，并加强对环境条件的控制。

深圳东部的珊瑚礁作为中国大陆最北端的热带珊瑚群落之一，其生态地位尤为特殊。它们不仅连接了南海和东海的生物地理区域，还在海岸保护、渔业资源维持和碳储存等方面发挥着重要作用。近年来，深圳的珊瑚礁调查已经记录到超过140种鱼类和甲壳类动物，进一步凸显了其生态和经济价值。然而，深圳的珊瑚礁仍然面临着周期性的珠江冲淡水事件，这些事件带来了高营养负荷，可能加剧富营养化现象并改变珊瑚群落的结构。此外，局部的珊瑚白化事件后，珊瑚群落能够迅速恢复，这表明这些边缘区域的珊瑚可能具有一定的耐受性。

为了更好地保护深圳的珊瑚礁生态系统，研究团队在该地区实施了珊瑚移植项目，已取得超过80%的移植珊瑚存活率。同时，深圳市政府于2022年建立了市级珊瑚种质资源库，目前保存了约100种珊瑚，为未来的珊瑚修复和遗传研究提供了重要的资源支持。这些保护措施的实施，依赖于对珊瑚多样性准确评估的科学基础，而eDNA技术的应用则为这一目标提供了新的手段。

本研究采用多标记eDNA测序方法，不仅能够提高检测的准确性，还能够更全面地反映珊瑚群落的组成。通过结合不同的基因标记，如ITS2和12S，研究团队能够更精确地识别珊瑚物种，并减少因单一基因标记带来的分类误差。此外，多标记方法还能够揭示不同基因标记在珊瑚群落中的相对丰度，从而提供更丰富的生态信息。研究结果表明，eDNA技术在珊瑚多样性评估中具有高度的敏感性和可扩展性，能够为大规模的生态监测提供支持。

深圳东部的珊瑚礁生态系统虽然具有较高的生物多样性，但其面临的环境压力不容忽视。快速的城市化进程带来了大量的污染物排放，这些污染物可能对珊瑚的生长和生存构成威胁。此外，近岸区域的珊瑚群落可能受到人类活动的直接影响，如旅游开发和渔业资源的过度利用。因此，研究团队不仅关注珊瑚的多样性，还分析了不同季节和空间位置对珊瑚群落组成的影响，以期为珊瑚礁的保护和管理提供科学依据。

在本研究中，团队通过四个季节的采样，评估了深圳东部水域珊瑚群落的季节性变化。结果显示，秋季的eDNA检测率最高，这可能与当时的环境条件，如温度、光照和营养物质浓度的适宜性有关。同时，研究还发现，不同区域的珊瑚群落组成存在显著差异，离岸区域的多样性较高，而近岸区域的多样性较低。这一空间分布模式为珊瑚礁的保护策略提供了重要参考，即应优先保护那些具有较高生物多样性的离岸区域，同时加强对近岸区域的环境管理和污染控制。

为了确保eDNA方法的准确性和可靠性，研究团队还对样本的DNA提取和测序过程进行了严格的质量控制。所有88个过滤后的水样均成功提取了DNA，并通过合并、去噪和去除嵌合体等步骤，提高了数据的准确性。最终，CoralITS2、CoralITS2_acro和12S三种基因标记分别产生了20,977、14,225和8,204个ZOTUs（扩增子序列操作单元）。其中，698个ZOTUs被鉴定为CoralITS2的物种，542个ZOTUs被鉴定为CoralITS2_acro的物种，而仅有16个ZOTUs被鉴定为12S的物种。这一结果表明，尽管ITS2和12S基因标记在珊瑚检测中各有优势，但它们的检测能力和物种识别能力仍存在差异，因此需要结合多种基因标记以提高检测的全面性和准确性。

此外，研究还探讨了eDNA方法在珊瑚礁监测中的潜在应用价值。例如，eDNA技术能够提供更及时和精确的生态信息，有助于早期发现生态变化并识别对干扰最敏感的区域。这不仅能够为保护措施的制定提供依据，还能够提高珊瑚礁管理的效率。同时，eDNA方法的可扩展性使其适用于大规模的生态监测，尤其是在资源有限的区域，能够以较低的成本获取较为全面的生物多样性数据。

尽管eDNA技术在珊瑚礁监测中展现出诸多优势，但其在实际应用中仍需克服一些技术挑战。例如，参考数据库的不完整可能导致物种识别的偏差，而引物设计的偏好性也可能影响检测结果的准确性。此外，环境因素的变化，如水体污染、温度波动和营养物质浓度的增加，都可能对eDNA的提取和分析产生干扰。因此，为了提高eDNA方法的准确性和应用价值，需要进一步完善参考数据库，优化引物设计，并加强对环境条件的控制。

本研究的成果不仅为深圳东部珊瑚礁的保护和管理提供了科学依据，也为其他类似沿海生态系统的研究提供了参考。通过结合多标记eDNA测序方法和传统视觉调查，研究团队能够更全面地评估珊瑚礁的多样性，并揭示不同环境因素对珊瑚群落的影响。此外，研究还强调了完善参考数据库和优化实验方法的重要性，以确保eDNA技术在珊瑚监测中的准确性和可靠性。

深圳的珊瑚礁生态系统正处于快速变化的过程中，其面临的环境压力和生态挑战需要科学的应对策略。eDNA技术的应用为这一目标提供了新的可能性，使其能够在更短的时间内获取更全面的生物多样性数据。然而，要充分发挥eDNA技术的潜力，还需要进一步的研究和实践。例如，如何提高eDNA方法的灵敏度和特异性，如何减少环境因素对检测结果的影响，以及如何将eDNA数据与传统的生态调查方法进行整合，都是未来需要解决的问题。

总的来说，本研究通过应用多标记eDNA测序技术，为深圳东部珊瑚礁的多样性评估提供了新的视角和方法。研究结果不仅验证了eDNA技术在珊瑚监测中的有效性，还揭示了其在不同季节和空间位置的检测能力。同时，研究还强调了完善参考数据库和优化实验方法的重要性，以提高eDNA技术的准确性和应用价值。这些发现对于深圳乃至其他沿海地区的珊瑚礁保护和管理具有重要的指导意义，也为未来的研究提供了新的方向。