环境DNA（eDNA）调查显著扩展了已知海洋鱼类的地理分布范围及其生态位边界

《PLOS Biology》：eDNA surveys substantially expand known geographic and ecological niche boundaries of marine fishes

地理分布与生态位范围填补：环境DNA调查揭示海洋鱼类分布与生态位低估现象

　　### 解读：利用环境DNA技术重新评估海洋鱼类的地理分布与生态位范围

在当今快速变化的全球环境中，准确评估物种的地理分布及其生态位范围对于理解生态系统的动态变化、预测物种灭绝风险以及制定有效的保护和管理策略至关重要。然而，传统方法在记录物种分布时往往存在系统性的偏差，尤其是在远离人类活动的偏远地区和极端环境。这种偏差不仅限制了我们对物种实际分布范围的认知，也影响了生态模型的准确性。本文通过全球范围内收集的近一千份环境DNA（eDNA）样本，探讨了这些偏差对海洋鱼类地理分布和生态位范围的限制，并评估了eDNA技术在填补这些知识空白方面的潜力。

#### 研究背景与意义

传统上，物种的地理分布通常基于已知的记录数据和专家知识进行推断，而这些数据往往来源于系统性调查或偶然发现。然而，许多物种的记录数据并不全面，特别是在远离人类活动的地区，如极地、热带岛屿和深海区域，由于采样难度大，这些地区的数据普遍稀少。这导致了物种分布范围的低估，同时也限制了我们对生态位的准确理解。生态位不仅包括物种对环境变量的适应性，还涵盖了人类活动对其生存环境的影响。因此，低估生态位范围可能会影响我们对物种如何应对全球变化的预测，从而影响保护措施的有效性。

研究发现，全球生物多样性数据库，如全球生物多样性信息设施（GBIF）和海洋生物多样性信息系统（OBIS），覆盖了全球约6.74%的区域，这意味着大部分海洋生物的分布情况并未被充分记录。此外，超过90%的物种记录集中在少数国家，尤其是美国，这种分布不均也进一步加剧了地理和生态位范围的偏差。因此，为了更准确地评估物种的分布和生态位，需要引入新的技术手段，特别是eDNA技术。

#### eDNA技术的优势

环境DNA技术是一种非侵入性、高灵敏度的采样方法，通过采集水体中的DNA片段，能够检测到传统方法难以发现的物种。这种技术在检测稀有或隐蔽的物种方面表现尤为突出，尤其是在那些传统调查难以到达的地区。例如，eDNA可以有效地检测到体型较小、活动范围有限或隐蔽性强的鱼类，如隐居鱼类和鲨鱼等。这使得eDNA成为一种能够弥补传统采样偏差的重要工具。

研究中使用了近一千份eDNA样本，覆盖了全球海洋的多个区域，包括极地和热带岛屿。通过比较这些样本与GBIF/OBIS数据库中的记录，研究者发现，93%的物种地理分布范围被低估，而7%的生态位范围也被低估。这意味着，许多物种的分布范围可能远大于我们所认为的，而eDNA技术在填补这些空白方面发挥了关键作用。

#### 方法与结果

为了评估eDNA技术在填补地理分布和生态位范围方面的效果，研究者采用了一种机器学习模型，即提升回归树（BRT）。该模型能够预测在特定采样努力下，eDNA能够检测到多少新的鱼类物种。研究发现，每个采样单元（约10公里×10公里）平均可检测到23个新物种，而在完全未采样的热带地区，这一数字甚至可以达到98个。这表明，eDNA技术在填补传统采样不足区域的物种分布方面具有巨大潜力。

同时，研究者还对物种的地理分布范围进行了量化分析。对于每种鱼类，计算了eDNA检测到的新位置与已知GBIF/OBIS记录之间的最大距离。结果显示，许多物种的地理分布范围被显著扩展，部分物种甚至在远离其传统分布区域的地方被检测到。例如，一种仅在南极发现的冰鱼被eDNA检测到在巴塔哥尼亚地区，而另一种鲨鱼则在北极圈附近的巴芬海被发现。这些发现不仅扩展了我们对这些物种分布的认知，还可能揭示了它们的生态适应性。

在生态位范围方面，研究者分析了五种关键环境和人类活动变量：海面温度（SST）、海底初级生产力（NPP）、海底溶解氧（SBDO）、海底温度（SBT）和人类影响指数。通过比较eDNA检测结果与传统记录，研究发现，许多物种的生态位范围被显著扩展。例如，某些物种在更冷的水温条件下被发现，这表明它们的温度适应范围可能比之前认为的更广。此外，一些物种的分布范围扩展还涉及人类活动的影响，例如某些物种在低人类影响的区域被发现，而另一些则在高人类活动区域被检测到，这可能反映了人类活动对它们的生态适应性的影响。

#### 采样偏差与局限性

尽管eDNA技术在填补地理分布和生态位范围方面表现出色，但研究者也指出了一些局限性。首先，传统采样方法仍然存在显著的偏差，特别是在地理分布和生态位的覆盖范围上。这些偏差可能导致某些物种的分布范围被低估，而某些物种的生态位范围可能被高估。其次，eDNA技术本身也有一定的局限性，例如，它可能无法覆盖所有物种，尤其是在某些区域的采样密度较低时。此外，eDNA检测结果可能受到环境因素的影响，如DNA降解、水流变化等，因此需要结合其他方法进行验证。

研究者还通过零模型（null model）来评估eDNA检测结果是否超出传统采样方法的随机性。零模型表明，只有大约一半的生态位范围扩展是由于eDNA技术，而另一半可能是由于传统采样方法的随机选择。因此，研究者强调，需要结合多种采样方法，以确保对物种分布和生态位的全面理解。

#### 应用与展望

eDNA技术的应用不仅有助于填补传统采样方法的空白，还为生态模型的优化提供了新的数据来源。例如，通过eDNA数据，可以更准确地预测物种在不同环境条件下的分布模式，从而改进生物多样性模型。此外，eDNA技术还能够帮助评估物种对全球变化的敏感性，特别是在气候变化和人类活动对海洋生态系统的影响方面。

然而，为了最大化eDNA技术的潜力，研究者建议增加采样密度，特别是在偏远地区和生态位范围广泛的区域。此外，还需要完善遗传参考数据库，以提高物种鉴定的准确性。同时，结合传统采样方法和eDNA技术，可以更全面地了解物种的分布和生态位，从而制定更有效的保护策略。

#### 结论

本研究通过全球范围内的eDNA采样，揭示了传统方法在评估海洋鱼类分布和生态位方面的不足，并展示了eDNA技术在填补这些空白方面的潜力。研究结果表明，eDNA技术不仅能够检测到传统方法难以发现的物种，还能够扩展我们对它们的地理分布和生态位的理解。然而，研究者也指出，eDNA技术仍有局限性，特别是在采样密度较低的区域和某些生态位范围的精确性方面。因此，未来的研究应结合多种采样方法，以确保对海洋生物多样性的全面评估，并为全球变化背景下的生物多样性保护和管理提供更可靠的数据支持。