潮间带复杂环境中基于鸟枪法宏基因组学的非真菌真核生物多样性追踪研究

这篇研究创新性地整合了EukRep、Tiara和CCMetagen三种生物信息学工具，从潮间带沉积物宏基因组数据中系统挖掘非真菌真核生物序列。通过时间序列采样（2020年8月至2021年6月），揭示了34个真核生物门类的动态变化规律，发现温度、亚硝酸盐（NO2 - -N）和总有机碳（TOC）是驱动群落演替的关键环境因子。与18S rRNA基因扩增子测序相比，虽然群落组成差异显著，但两者呈现可比的时间衰减关系（TDR）和物种-时间关系（TTR），为宏基因组数据的真核生物信息挖掘提供了新范式。

　　

比较评估不同真核生物序列检测方法
研究团队在青岛潮间带（36.46°N, 120.75°E）通过时间序列采样获取36个沉积物样本，采用鸟枪法宏基因组测序（平均数据量22.4 Gb/样本）和18S rRNA基因V4区扩增子测序（引物18S-528F/706R）并行分析。针对真核序列检测，系统评估了三种主流工具：基于contig的EukRep（支持向量机算法）和Tiara（神经网络算法），以及基于reads的CCMetagen（KMA比对）。结果显示，EukRep检出率最高（平均1,183,660条真核reads），但精确度仅23.71%；CCMetagen精确度达100%，但检出量最低（平均4,007条）。三者检测结果重叠率不足5%，凸显方法学差异对结果的影响。

整合流程构建与群落动态解析
研究提出创新性整合流程：先通过CCMetagen直接筛选真核reads，再结合EukRep/Tiara鉴定的真核contig进行读段映射。经Kraken2注释后，在门水平鉴定到34个非真菌真核生物门类，其中节肢动物门（Arthropoda）占比59.55%，硅藻门（Bacillariophyta）呈现冬季富集（8月3.2%→12月15.7%）、夏季衰减（6月4.1%）的典型季节动态。属水平上，竹节虫属（Timema）和舟形藻属（Navicula）同样显示冬增夏减模式。非度量多维标度（NMDS）分析揭示群落组成呈现季节性聚类，8月与次年6月样本相似性较高（Bray-Curtis相似性>0.65），而与12月样本差异显著。

时间生态模式与驱动机制
通过计算Hill数扩展多样性指数，发现稀有类群（相对丰度<0.1%）对时间模式贡献显著。时间衰减关系（TDR）分析显示群落相似性随间隔时间呈非线性下降（斜率w=-0.087），而物种-时间关系（TTR）指数ω达0.769，表明强烈的时间周转。环境因子关联分析显示，温度（Mantel's r=0.32, P<0.01）、SO₄
^2-
（r=0.28）和TOC（r=0.25）是主要驱动因子。随机性分析揭示10月至次年2月群落组装以随机过程主导（随机比>50%），而8月和4月受确定性过程调控。

与扩增子测序的互补性验证
相较于18S扩增子测鉴定的36个真核门类，宏基因组方法在属水平检出量显著更高（Wilcoxon检验P<3.11×10^-10
）。虽然两种方法群落组成差异巨大（扩增子中硅藻门占62.04% vs 宏基因组中节肢动物门占59.55%），但时间生态模式高度一致：扩增子数据的TDR斜率w=-0.103，与宏基因组结果（w=-0.087）无显著差异。这种"模式趋同-组成分异"现象提示两种技术可互为补充。

方法论启示与应用前景
该研究首次系统论证了宏基因组数据在复杂环境真核生物监测中的可行性。通过整合多算法克服单一工具局限，其流程可拓展至土壤、水体等生态系统。研究还揭示环境DNA中真核信号与形态学观测的互补价值——虽然大型生物可能逃逸采样，但其DNA残留仍可被宏基因组捕获。随着真核基因组数据库的完善，该方法在生物多样性评估、入侵物种监测等领域具有重要应用潜力。