热带森林土壤环境DNA(eDNA)揭示区域优势树种而非局域群落组成的空间尺度验证

这篇研究通过对比波多黎各16公顷卢基洛森林动态样地(LFDP)的树木普查数据与土壤eDNA宏条形码(trnL-P6)分析，创新性地验证了eDNA技术在热带森林生物多样性监测中的空间分辨率。研究发现土壤eDNA能检测到68%的树木OTUs（覆盖98%总胸高断面积），但主要反映区域优势种分布而非局域群落组成，为eDNA在景观尺度生物监测应用提供了关键方法论依据。

　　

研究背景与技术挑战

环境DNA(eDNA)技术已成为生物多样性监测的重要工具，但其在复杂陆地生态系统中的空间分辨率尚不明确。热带森林作为地球生物多样性最丰富的陆地生物群落，其eDNA信号的空间尺度验证尤为关键。研究团队利用波多黎各卢基洛森林动态样地(LFDP)16公顷范围内精确到厘米级的树木定位数据（2023年最新普查含102,000株≥1 cm DBH的树木），结合自主研发的本地叶绿体trnL-P6参考序列库（覆盖104个树种），系统评估了土壤eDNA反映树木群落组成的空间精度。

创新性实验设计

研究采用三级采样策略：

1. 1.

   大网格采样：40个点位各取3份亚样品混合，覆盖全样地

2. 2.

   非混合亚样：3个大网格点保留独立亚样分析

3. 3.

   密集样方：4 m²内12个独立样品

   通过Illumina NovaSeq 6000平台PE150测序，采用DADA2降噪和LULU算法优化ASV表，最终获得53个LFDP树木OTUs（对应68%普查OTUs，覆盖98%总胸高断面积）。

关键发现

组成检测能力：

• •

  土壤eDNA平均检出11.8±4.9个OTUs/点，与5米半径普查数据(11.3±3.1)数量级相当

• •

  读段丰度与树木多度显著相关（Pearson r=0.70, P<0.0001）

• •

  26个未检出OTUs仅占2%总胸高断面积，但占33%OTU丰富度

空间异质性：

• •

  密集样方显示10cm尺度存在显著异质性（22个OTUs中26-39%仅现于≤2样品）

• •

  亚样分析揭示单一样品可含1-4个OTUs未见于混合样

空间信号验证：

• •

  初始混淆矩阵显示5米尺度敏感度最高（0.59）

• •

  随机化检验揭示eDNA信号与随机点无显著差异（标准化效应量|SES|<1.96）

• •

  中等多度OTUs(100-1,000株)存在较高假阳性率

方法论启示

研究表明：

1. 1.

   优势种检测：现有采样方案（约40混合样）可有效捕捉景观尺度优势种

2. 2.

   稀有物种局限：需45+独立样才能覆盖4 m²内理论ASV丰富度

3. 3.

   空间分辨率：通用引物宏条形码不适于<1 ha尺度的精确群落表征

技术突破方向

研究建议未来工作应：

• •

  开发靶向PCR引物提升稀有物种检测

• •

  优化土壤采样体积（参考Ariza方案）

• •

  结合功能性状数据库解析eDNA生态意义

该成果为热带森林eDNA监测提供了首个多尺度验证框架，被PNAS选为方法学突破案例。原始数据已开源至Zenodo（记录号15649282），分析代码见GitHub仓库eDNA-LFDP。