解析黄河沉积物中真核浮游植物对环境压力的适应性策略：基于eDNA和形态学的多方法视角

《Environmental Research》：Disentangling Adaptive Strategies of Eukaryotic Phytoplankton to Environmental Stressors in the Sediment-Laden Yellow River: A Multi-Method Perspective from eDNA and Morphology

黄河流域浮游植物群落结构受环境压力因子影响显著，通过eDNA与形态学方法对比发现eDNA检测物种数多出2倍，且在夏季上游水库出现硅藻门和绿藻门优势，下游高浊度区域物种间竞争加剧。环境因子包括水温、海拔、铜含量和流速显著影响群落结构，营养盐与重金属通过调控代谢与繁殖影响物种互作网络。本研究验证了eDNA技术在复杂水文条件下的应用价值，为黄河流域生物监测提供新方法。

　　黄河流域正面临着人类活动导致的生物多样性丧失的威胁，这一现象凸显了开展有效生物监测和揭示群落与环境相互作用的重要性。然而，尽管浮游植物在维持生态系统稳定方面发挥着关键作用，但环境压力对浮游植物结构及其种间相互作用的影响仍不明确。为了解决这一问题，本研究在春季和夏季期间，沿着黄河流域主干道采集了环境DNA（eDNA）和浮游植物样本，以评估环境压力对真核浮游植物群落的影响。研究结果显示，在春季和夏季中，eDNA方法分别检测到88和103种浮游植物，比形态学方法多出2.0至2.1倍。两种方法均揭示了硅藻门和绿藻门在大多数站点的主导地位，并指出夏季上游水库中金藻门的普遍存在。此外，水温、海拔、铜离子浓度和流速是夏季浮游植物群落组成的关键影响因素，而营养物质（总氮、氨氮）和重金属（铜、锌、铅）则显著影响浮游植物共现网络。网络分析表明，浮游植物表现出区域特定的适应策略，上游环境压力下显示出更强的连接性和复杂性，而在高沉积物下游区域则呈现出更高的种内竞争和稀疏的网络结构。这些发现为理解环境压力如何塑造浮游植物结构提供了有价值的见解，同时为高沉积河流的生物多样性监测和生态系统保护策略提供了新的方向。

黄河流域作为世界上最重要的河流之一，不仅具有巨大的地理跨度，还连接了陆地、海洋和淡水生态系统。它承载着丰富的生物多样性，同时也支撑着数亿人口的生计和生产需求。然而，随着人类活动的加剧，例如水污染、城市化和水坝建设，黄河流域的生物多样性正在遭受严重破坏。研究表明，近一半的全球河流都出现了生态退化现象，而黄河流域由于其异常高的泥沙含量，成为研究的重点。泥沙含量高不仅使河流生态系统变得脆弱，还使其对环境压力极为敏感。因此，深入理解黄河流域生物多样性动态对于有效的监测和可持续的河流管理至关重要。

浮游植物作为生态系统中的初级生产者，是评估水体质量的重要生物指标。它们对环境变化极为敏感，因此在生态监测中具有不可替代的作用。传统的形态学方法虽然被广泛用于研究浮游植物群落，但这种方法存在劳动强度大、通量低的问题。相比之下，环境DNA技术利用单细胞和多细胞生物的细胞内和细胞外DNA，为淡水生物监测提供了一种高效、快速的方法。环境DNA技术已经在多个研究中被应用，例如用于监测鱼类、藻类和昆虫等生物。在北运河和太湖等水体中，环境DNA技术在浮游植物监测中表现出比形态学方法更高的敏感性和可重复性。然而，在泥沙含量极高的河流如黄河流域，悬浮的泥沙可能会影响形态学鉴定的准确性，并与DNA片段发生相互作用。泥沙可以吸附环境DNA，延长其存在时间，或者通过限制DNA的可获取性而降低检测效率。因此，尽管环境DNA技术具有巨大的潜力，但在高泥沙含量的系统中，其性能仍存在不确定性，需要系统性的评估。

本研究通过在黄河流域主干道上进行大规模的环境DNA和浮游植物网采样，结合基于18S rRNA基因的环境DNA测序和传统的形态学方法，对真核浮游植物群落进行了深入分析。同时，我们还探讨了环境因素（如营养物质和重金属）与真核浮游植物在种群-群落-网络层面的关系（见图1A）。本研究旨在实现三个目标：1）比较环境DNA和形态学方法在检测真核浮游植物方面的准确性和互补性；2）分析浮游植物群落结构的空间和季节变化；3）评估环境压力对浮游植物多样性及共现网络模式的影响。通过这一研究，我们不仅探讨了环境DNA在高泥沙河流中捕捉生物多样性的适用性，还深化了对环境压力如何影响水生态系统理解。

黄河流域是世界上最长的河流之一，其独特的地理和空间特征塑造了真核浮游植物群落的结构。然而，人类活动带来的污染，如营养物质富集和重金属污染，已经显著改变了这些群落的结构和网络模式。本研究是首次在高泥沙含量的黄河流域应用环境DNA测序技术，以评估其在捕捉真核浮游植物群落方面的准确性。尽管环境DNA和形态学方法在物种组成上存在一些差异，但它们的互补性提供了对浮游植物动态的全面理解。两种方法都识别了关键的理化因子，如水温、海拔、电导率、总悬浮物和流量等，这些因子对浮游植物群落的形成和演变起着重要作用。此外，研究还揭示了环境压力对浮游植物共现网络的影响，表明在不同区域，浮游植物表现出不同的适应策略。这些策略不仅有助于维持群落的稳定性，还反映了生态系统对环境变化的响应机制。

在黄河流域，浮游植物群落的结构和组成受到多种环境因素的调控，包括传统的理化指标、营养物质和重金属等。这些因素通过影响浮游植物的代谢和繁殖，进而塑造群落的动态变化。例如，氮营养物质影响了浮游植物的功能群落，而空间因素则主要驱动了浮游植物群落的演替。除了群落的组成，浮游植物种群之间的复杂相互作用，如竞争、共生和共栖，也在维持群落稳定性方面发挥着重要作用。这些种间关系可能随着环境条件的变化而改变，从而导致从一种稳定的共存状态向另一种状态的转变。浮游植物群落可以通过结构演替和增强的种内相互作用来适应环境变化，例如降雨量增加或水流调节等。与其它河流相比，黄河流域的生物多样性较低，对环境压力的敏感性较高，因此研究其生物群落的适应机制具有重要意义。

本研究的结果不仅揭示了环境DNA在高泥沙河流中检测浮游植物群落的潜力，还为理解环境压力如何影响水生态系统提供了新的视角。通过比较环境DNA和形态学方法，我们发现两者在检测浮游植物时既存在一定的互补性，也存在差异。这些差异可能源于泥沙对环境DNA的影响，以及形态学方法在识别某些微小或稀有物种时的局限性。因此，结合这两种方法可以更全面地评估浮游植物群落的动态变化。此外，研究还表明，环境因素对浮游植物群落的影响具有空间和季节的差异性，这可能与黄河流域不同区域的水文条件和污染水平有关。在上游水库区域，由于水流较缓，浮游植物群落表现出更高的连接性和复杂性，而在下游高沉积区域，由于泥沙含量高，浮游植物群落的连接性较低，种内竞争更明显。

这些发现对于制定有效的生物多样性监测和生态系统保护策略具有重要的参考价值。特别是在高泥沙含量的河流中，环境DNA技术的应用能够提高监测的效率和准确性，同时为生态系统的可持续管理提供科学依据。此外，研究还强调了浮游植物在生态系统中的关键作用，它们不仅是初级生产者，还在调节水体质量和维持生态平衡方面发挥着重要作用。通过深入分析浮游植物的群落结构和种间相互作用，我们可以更好地理解环境压力如何影响水生态系统的稳定性，从而为未来的生态研究和保护工作提供指导。