推进海洋保护：利用宏条形码技术和系统地理学方法对两大海域国家公园的底栖生物群落进行多年生物监测

《Diversity and Distributions》：Advancing Marine Conservation: Metabarcoding and Metaphylogeography for a Multi-Year Biomonitoring of Benthic Communities of National Parks Across Two Seas

本研究对西班牙地中海和北大西洋两个海洋保护区的底栖群落进行了9年长期监测，采用COI基因 metabarcoding 结合 metaphylogeography 分析。结果表明β多样性受保护区、群落和年份影响显著，遗传分化与物种多样性变化一致，2020-2022年群落结构显著改变且多样性下降，与全球气候变化相关。方法验证了多平台测序和严格过滤流程的有效性，为海洋保护区监测提供了新工具。

　　本研究探讨了利用结合宏条形码（metabarcoding）与宏地理遗传学（metaphylogeography）方法，对两个西班牙国家公园的海洋保护区进行长期的生物多样性监测。这些国家公园分别位于地中海和大西洋，是西班牙法律给予最高级别的自然保护区。研究旨在通过时间序列数据评估这些海洋保护区的生物多样性变化，以支持其有效的管理和保护策略。

传统上，通过形态学方法评估生物多样性需要大量的人工操作、专业知识和时间成本，而新的DNA技术，特别是宏条形码技术，正在改变我们追踪生物多样性的方式。然而，尽管宏条形码技术在空间多样性分析中表现出色，但用于时间序列研究的案例却相对较少。这种技术能够以高效率捕捉从微观到宏观层面的生物多样性信息，为海洋保护区的监测提供了重要工具。然而，为了确保数据的一致性和可比性，必须采用统一的生物信息学流程和过滤标准，并考虑到技术平台的更新可能带来的影响。

本研究覆盖了9年的数据，通过对代表性的底栖群落进行直接采样，收集了包括岩石社区、深水岩石社区以及沉积物社区在内的多种类型。这些群落在不同的水深范围内被采集，反映了不同生物群落的生态特征。例如，在大西洋国家公园，光合社区（photophilic community）采样于3–5米深度，而地中海国家公园则在7–10米深度。深水岩石社区（sciaphilic community）在大西洋为15–16米，地中海为30米。沉积物社区（detritic community）则分别位于20米和65米深度。这些不同的采样策略有助于全面了解两个公园内的生物多样性变化。

研究团队采用了严格的生物信息学流程，以生成精确的序列变异（ESVs）并进行聚类分析，从而建立分子操作分类单元（OTUs）。通过使用OBItools等软件包，研究人员对序列进行了过滤、去噪和分析，确保了数据的准确性和可重复性。同时，为了评估基因多样性，他们引入了半定量的指数，将序列读数的相对丰度转化为遗传多样性的估计值。这种方法不仅提高了数据的可靠性，还使得不同时间点的数据可以进行有效的比较。

在分析结果中，研究人员发现，两个公园的生物多样性差异显著，尤其在物种组成和遗传分化方面。总体而言，物种的α多样性（即每个样本中的物种数量）和β多样性（即不同样本之间的物种组成差异）均表现出显著的时空变化。特别是在比较初始（2014–15）和最终（2020–22）阶段时，研究人员观察到物种丰富度和多样性出现了明显下降，这可能与全球气候变化和人类活动有关。这一发现为海洋生态系统的保护和管理提供了重要的警示信息。

此外，研究还比较了使用Illumina MiSeq和NovaSeq两种高通量测序平台对数据的影响。尽管NovaSeq平台能够产生更多的读数，但两种平台在β多样性估计和遗传分化分析中表现出了高度的一致性，这表明在长期监测研究中，可以安全地将不同平台获得的数据整合。然而，MiSeq平台的数据在α多样性上表现出一定的下降趋势，这可能是由于其较低的输出量和不同的数据处理方式。

通过宏地理遗传学分析，研究人员进一步揭示了物种基因型在不同时间点和空间尺度上的变化模式。这些分析不仅关注物种的分布，还考虑了基因型之间的遗传连接性。研究发现，即使是在公园内部，不同社区之间的基因分化也显著，这表明生物多样性在小尺度上同样受到环境因素和人类活动的影响。

本研究的成果表明，宏条形码与宏地理遗传学的结合方法在海洋保护区的长期监测中具有重要价值。这种方法能够同时捕捉到物种和基因型层面的多样性变化，从而为生态保护和管理提供更全面的信息。研究还强调了数据标准化和一致性的重要性，特别是在跨平台和跨时间点的比较中。此外，研究团队还展示了如何通过严格的生物信息学流程和过滤策略，确保数据的可靠性和可重复性。

研究结果对于理解全球变化对海洋生态系统的影响具有重要意义。特别是在地中海地区，研究人员检测到2022年发生了严重的热浪事件，这可能对底栖群落的结构和多样性产生了深远的影响。这些发现为海洋保护提供了重要的依据，同时也提醒我们，必须持续监测生物多样性变化，以便及时采取保护措施。

综上所述，本研究不仅展示了宏条形码与宏地理遗传学方法在海洋保护中的应用潜力，还揭示了全球变化对生物多样性的影响。研究团队通过长期的监测和分析，提供了关于海洋生态系统变化的重要数据，为未来的保护策略和研究方法奠定了基础。这些数据和方法可以为其他海洋保护区的监测提供参考，并有助于更全面地理解生物多样性的时间动态和空间分布。