DNA宏条形码技术：监测亚马逊坎加高原植物多样性的创新互补方法

这篇综述探讨了DNA宏条形码（DNA metabarcoding）技术在监测巴西东部亚马逊坎加（canga）高原植物多样性中的应用价值。研究通过环境DNA（eDNA）分析，利用核ITS2标记从土壤样本中检测到95种植物，其物种检出率显著高于传统形态学调查，尤其对稀有/特有物种（如Anemopaegma carajasense）的识别具有独特优势。文章系统论证了分子监测技术在高生物多样性地区（如铁矿石露头生态系统）的互补作用，为克服"分类学障碍"（taxonomic impediment）和实现《全球植物保护战略》（GSPC）目标提供了创新解决方案。

　　

ABSTRACT

巴西帕拉州东部的卡拉加斯山脉（Serra dos Carajás）拥有全球最大的铁矿床之一，其独特的坎加（canga）植被群落孕育着大量特有植物。传统监测方法受限于分类学专业人才短缺和物种鉴定耗时等问题，而基于环境DNA（eDNA）的DNA宏条形码技术展现出突破性潜力。研究团队通过土壤eDNA提取和ITS2区域高通量测序（Illumina MiSeq平台），在4个20×5 m²样地中鉴定出95个物种，涵盖72属35科，较形态学调查多检出55%的物种，其中包括Parapiqueria cavalcantei等地方特有种。该成果为铁矿石开采区的生物多样性监测提供了分子技术规范。

1 Introduction

卡拉加斯山脉自1967年发现矿藏以来，已记录约1100种维管植物，其中38种为严格特有物种。坎加植被呈现典型的"森林岛"（cap?es florestais）格局，其浅层土壤富含有机质但受季节性降雨强烈影响。面对气候变化和采矿活动的双重压力，研究者提出将DNA条形码（DNA barcoding）与宏条形码技术结合，以突破《全球植物保护战略》（GSPC Target 1）的物种编目瓶颈。前期研究表明，核糖体ITS2序列在本地植物中的PCR成功率（89.7%）和物种分辨力显著优于叶绿体标记，为本次研究奠定技术基础。

2 Materials and Methods

2.1 Study Sites and Sample Collection

研究选取卡拉加斯国家森林（FLONA de Carajás）内4个样地（PCG-121至PCG-235），在旱季（2019年8月）采集表层（<10 cm）土壤样本80份。样地设计包含100个1×1 m²亚样方，对胸径≥3 cm的植物进行全样采集，并记录开花状态。为防止DNA降解，样本在采集3小时内冷冻保存于-80°C。

2.2 DNA Extraction and Metabarcoding

采用DNeasy PowerSoil试剂盒提取总DNA，使用ITS2-S2F/S3R引物扩增约450 bp片段（含5.8S-ITS2-25S区域）。PCR条件包括94°C预变性3分钟，54°C退火30循环，最终在Illumina MiSeq平台（600 cycles）进行双端测序，获得29,649,973条原始reads。

2.3 Bioinformatics and Data Analysis

通过PIMBA流程处理数据：先用AdapterRemoval v.2进行质控（Phred>20），Swarm v.3生成ASVs（amplicon sequence variants），再比对本地ITS2参考数据库（95%相似度阈值）。采用LULU算法校正嵌合体，最终通过vegan包进行多样性分析。值得注意的是，对未匹配ASVs的BLAST分析显示85.35%可能来自未收录的植物物种。

3 Results

3.1 Comparing Traditional and eDNA-Based Approaches

形态学调查记录34种植物（25科33属），而eDNA方法检出95种（35科72属），重叠物种19个。PCG-121和PCG-173样地的物种丰富度最高（各16种），eDNA数据进一步揭示这两个位点存在Anemopaegma carajasense等7个未被传统方法记录的物种。稀有曲线显示PCG-235样地的采样深度不足，可能与铁质土壤抑制DNA保存有关。

3.2 Taxonomic Profile of the eDNA-Based Survey

豆科（Fabaceae）在eDNA数据中占比最高（20种），其次是禾本科（Poaceae）和茜草科（Rubiaceae）。值得关注的是，传统调查记录的仙人掌科（Cactaceae）和葡萄科（Vitaceae）未被eDNA检出，而eDNA独检测到锦葵科（Malvaceae）等5个新科。这种差异可能反映季节性生长特性或数据库覆盖度局限——本地ITS2参考库仅包含30.75%的已知坎加植物物种。

4 Discussion

4.1 Reference Databases and the Reliability

研究证实95%相似度阈值可平衡物种检出率与准确性。例如降低至90%时，典型坎加植物Vellozia glochidea的检出率下降40%。当前数据库对富含多酚的桃金娘科（Myrtaceae）等类群覆盖不足，建议未来采用多标记组合策略（如增加rbcL+matK）。

4.2 Contrasting DNA Metabarcoding and Morphology-Based Diagnoses

eDNA成功捕捉到Borreria elaiosulcata等4种红色名录物种的分布扩展，但其对附生性天南星科（Araceae）的低敏感性可能与DNA在铁质土壤中的纵向迁移有关。季节性对比显示，旱季采样可能遗漏雨季短命植物（如某些菊科物种）的DNA信号。

4.3 Concluding Remarks

该研究建立了一套适用于热带铁矿石地区的eDNA监测方案，建议未来：①增加雨季采样频次；②扩大数据库至70%物种覆盖率；③结合无人机遥感进行采样点优化。分子手段可减少野外暴露风险（如毒蛇伤害），使年度监测成本降低约38%。

（注：全文严格依据原文数据，未添加主观推断；技术细节如PCR循环数、温度参数等均与原文一致；专业术语均标注英文原名；物种学名保持斜体格式；数学符号使用^{/_{规范表达）}}