利用环境DNA表征热带海岸蓝碳的多样性与分布格局

《iScience》：Characterizing the diversity and distribution of tropical coastal blue carbon using environmental DNA

本研究针对热带海岸蓝碳生态系统碳通量追踪难题，创新性地采用环境DNA(eDNA)技术，通过18S rRNA代谢条形码对新加坡海域水体和沉积物样本进行宏基因组分析，成功鉴定出27种大型植物类群，揭示其群落结构具有显著季节性和空间特异性。该研究为开发eDNA驱动的蓝碳实时监测系统提供了关键技术支撑，对优化热带地区蓝碳管理策略具有重要科学价值。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，自然气候解决方案日益受到重视。蓝碳——即海岸带生态系统通过光合作用捕获并长期储存的有机碳——作为一种重要的自然气候解决方案展现出巨大潜力。传统蓝碳生态系统包括红树林、海草床和盐沼，这些生态系统不仅在其生物体内储存碳，更在周围沉积物中封存大量碳。然而，当前对蓝碳生态系统间相互连通性及碳流动的理解仍十分有限，这严重制约了碳信用核算和生态系统管理的精确性。

尤其值得关注的是，大型海藻作为蓝碳生态系统的地位尚存争议。与红树林和海草不同，大型海藻大多生长在硬质基质上，本地埋藏碳的能力有限。但全球估算显示，大型海藻的碳封存潜力惊人，年封存量可能超过传统蓝碳生态系统的总和，其中约43%的净初级生产力以碳输出形式进入其他生态系统。研究表明，大型海藻碳在陆架和深海沉积物中广泛存在，甚至可形成世纪尺度的碳封存。因此，准确追踪不同蓝碳来源的碳贡献成为当前研究的核心挑战。

传统碳溯源方法如稳定同位素分析(δ¹³C、δ¹⁵N)和元素比率(C:N)虽有一定效果，但受限于源值特异性不足和重叠问题。环境DNA(eDNA)技术的兴起为这一领域带来新机遇。eDNA是指环境中存在的遗传物质，包括排泄的细胞、组织、微生物或细胞外DNA。由于有机碳中约3%为DNA，eDNA理论上可提供蓝碳储量的粗略估计。更重要的是，eDNA在海洋环境中降解迅速(几小时至两天)，在热带温暖水域中降解更快，这增强了其指示本地碳来源的能力。

本研究由新加坡国立大学研究团队开展，旨在测试eDNA方法在表征热带海岸大型植物多样性、分布和相对丰度方面的应用。研究区域选择新加坡海峡(1°09'N-1°29'N, 103°36'E-104°06'E)，该地区属赤道气候，年温度和降雨量高，存在明显的西南季风(6-9月)和东北季风(12-3月)交替。新加坡拥有8.1 km²红树林、2.2 km²海草床和5.9 km²大型海藻床，是研究热带蓝碳的理想场所。

研究人员在五个站点(Cyrene Reefs、Pulau Subar Darat、Pulau Semakau North、Pulau Semakau South和Open Water)采集了不同深度(1米、10米、20米)的水体和沉积物样本，覆盖41.9 km²海域。通过18S-v7迷你条形码技术对eDNA进行测序分析，并与总有机碳(TOC)测量相结合，探究热带海岸大型植物eDNA的季节、空间和深度变化规律。

研究方法主要包括环境样本采集、DNA提取与基因分型、文库构建以及生物信息学分析。水样使用5升范多恩水平点采水器采集，沉积物样本使用范维恩抓斗采样器采集表层1厘米沉积物。eDNA提取采用CTAB法，使用Euka02引物扩增18S rRNA基因V7区域，该引物能扩增100-110 bp的短片段，对大型植物具有广谱扩增能力。测序在Illumina HiSeqX平台上进行150 bp双端测序。生物信息学处理包括序列合并、去噪、分子操作分类单元(MOTU)划分和分类学鉴定，使用Kraken 2和BLAST+进行序列分类。总有机碳分析通过高温催化氧化法进行。

蓝碳类群的环境DNA检测

研究共获得1,092,488,209对原始测序读数，经过滤后获得6,701条独特序列，最终在4%阈值下界定出171个MOTU。其中27个MOTU被鉴定为大型植物类群，对应164,988条测序读数。这些类群主要属于红藻门(Rhodophyta)和褐藻纲(Phaeophyceae)，其中红藻门占主导地位，鉴定出24个类群(88.9%)，涵盖20个科；褐藻纲鉴定出3个类群。

值得注意的是，研究未能明确检测到红树林或海草类群的eDNA读数。在27个鉴定类群中，17个(63.0%)与新加坡已有记录的类群匹配，7个属为首次在新加坡发现，包括Stylonema、Wrangelia、Titanoderma等，这些发现在传统调查方法中未被记录，显示了eDNA在补充生物多样性评估方面的价值。

水体样本中类群丰富度的季节、站点和深度变化

类群丰富度显示显著季节性变化，季风间期的中位类群数最高(8个)，西南季风次之(7个)，东北季风最低(4个)。站点间差异也很明显，SMKN站点中位类群数最高(10个)，SBD站点7个，CYR和SMKS站点各6个，OWR站点最低(4个)。深度对类群丰富度影响不显著，1米和10米深度均检测到7个类群，20米深度检测到5个类群。

水体样本中类群多样性的季节、站点和深度变化

香农多样性指数也呈现显著季节性差异，季风间期最高(1.74)，西南季风次之(1.34)，东北季风最低(0.876)。站点间多样性以SMKN最高，CYR最低。深度对多样性影响不显著，表明在垂直混合良好的新加坡海峡，不同深度采样可能非必要。

大型植物环境DNA读数的相对丰度

相对丰度分析显示显著季节性差异，东北季风期间大型植物eDNA相对丰度最高，主要由墨角藻科(Sargassaceae)驱动，该科贡献了约一半的大型海藻测序读数。站点间相对丰度差异显著，SMKN最高，OWR最低。深度对相对丰度影响不显著。

水体样本中环境DNA群落的季节、站点和深度变化

PERMANOVA分析显示，大型植物eDNA MOTU群落结构受季节和站点显著影响，但深度影响不显著。非度量多维标度(nMDS)分析进一步证实了季风间期与两个季风期群落的差异，以及不同站点间群落的差异性。

沉积物样本中的阿尔法多样性

仅有33.3%的沉积物样本成功扩增，这些样本中SMKS站点的类群丰富度和多样性最高，但SMKN站点的累积相对丰度最高。沉积物样本的低扩增成功率可能与热带温暖底栖环境中DNA驻留时间短有关。

研究团队对热带海岸大型植物eDNA指纹识别能力进行了深入讨论。结果表明，eDNA宏条形码技术能成功鉴定大型海藻主要类群，区分红藻和褐藻，甚至能将大多数类群分辨率提升至属级。最常见的科包括墨角藻科、石叶藻科(Peyssonneliaceae)、松节藻科(Rhodomelaceae)和仙菜科(Ceramiaceae)，每个科在超过一半样本中被发现。

eDNA检测到的七个未记录属显示了该技术在补充生物多样性评估方面的价值。然而，eDNA读数与蓝碳生物量之间的定量关系仍需进一步研究，以可靠地将相对丰度变化转化为生物量估算，从而支持精确的蓝碳核算。

季节模式分析表明，eDNA能检测到大型植物丰富度、多样性和相对丰度的显著季节性变化。东北季风期间大型植物相对丰度较高，可能与季风初期海水温度升高促进藻体生长有关。不同站点对季节变化的响应各异，反映了环境变化对大型植物群落的复杂影响。

空间采样分析支持了建立eDNA监测系统的必要性，但强调需要广泛的采样覆盖范围。有趣的是，不同深度间eDNA多样性、丰富度和丰度无显著差异，表明在类似的潮下带生态系统中，跨深度采样可能非必要，这有助于优化未来监测方案的采样设计。

环境限制因素讨论指出，赤道水域中海岸大型植物eDNA检测能力相对较弱，特别是沉积物样本扩增成功率低，可能与温暖底栖环境中DNA驻留时间短有关。环境因素波动如降雨和流速也可能降低eDNA检测能力。此外，气候变化导致的海温上升和降雨强度增加可能进一步影响eDNA检测效能，这对热带地区eDNA监测系统的长期有效性提出挑战。

本研究证实eDNA能有效检测和表征热带海岸大型植物丰富度、多样性和相对丰度，尤其对大型海藻效果显著。季节和站点间的显著变异必须在未来监测系统中予以考虑。研究还指出，在赤道水域开展eDNA研究需考虑季风变化、采样设计优化以及eDNA高降解率等挑战。

尽管成功检测到红藻和褐藻，但红树林、海草和绿藻类群的检测受限，可能与引物偏向性、生物量输出差异以及参考数据库不完整有关。未来研究应致力于设计更有效的通用引物，建立区域条形码参考库，并通过实验了解热带水域中红树林和海草eDNA检测问题。

蓝碳作为一种有前景的自然气候解决方案，其相关生态系统正面临严重人为威胁。基于eDNA的物种特异性碳源识别能力为更精确的碳核算和栖息地保护优先级确定提供了新工具。在物种丰富的热带地区，eDNA作为一种经济高效的方法，能为蓝碳策略制定提供重要的生物多样性数据支持。

研究的局限性包括部分类群eDNA读数未达到保守过滤要求，引物偏向性可能影响检测效率，以及参考数据库限制分类鉴定准确性。未来建立地区特异性条形码参考库将显著提高类群鉴定数量，其长期效益将超越蓝碳研究领域，惠及更广泛的生物多样性研究。