潜水员辅助环境DNA采样揭示热带珊瑚礁鱼类精细生态与保护信号

本研究针对珊瑚礁生态系统面临的人为威胁与监测挑战，创新性地将被动式环境DNA采集器（metaprobe）与休闲潜水活动相结合，在塞舌尔群岛通过18次潜水采样检测到174种鱼类（含8种濒危软骨鱼和78种经济鱼种），发现海洋保护区（MPA）和珊瑚底质栖息地的鱼类分类与功能多样性显著更高，证明了低成本eDNA技术与公众参与相结合在提升生态监测规模和推动保护实践中的巨大潜力。

　　

珊瑚礁生态系统被誉为海洋生物多样性的瑰宝，尽管覆盖面积不足地球表面的1%，却养育着全球约四分之一的海洋物种。然而，这些绚丽多彩的水下世界正面临着全球变暖、过度旅游、污染和非法捕捞等多重威胁，许多鱼类种群数量锐减甚至局部灭绝。传统的生物多样性监测方法，如水下视觉普查（UVC）、捕获采样和远程光学探测等，不仅耗时费力、依赖专业分类知识，还受天气条件限制，难以实现对珊瑚礁这种生物多样性热点区域的快速、全面评估。

近年来，环境DNA（environmental DNA, eDNA）技术为海洋生物监测带来了革命性的变化。通过分析水体中生物脱落的DNA片段，研究人员能够非侵入性地获取物种组成信息。然而，常规的eDNA水样过滤方法操作繁琐、设备要求高，在偏远地区或资源有限的环境中难以大规模应用。被动式eDNA采样技术——特别是名为“metaprobe”的3D打印球形装置——通过内置纱布卷吸附水中的DNA物质，为简化采样流程提供了解决方案。这种低技术含量、低成本且可重复使用的工具，使得非专业人员也能轻松参与样本采集。

在这项发表于《Global Ecology and Conservation》的研究中，由利物浦约翰摩尔斯大学的Giulia Maiello、Stefano Mariani等组成的研究团队，巧妙地将metaprobe与休闲潜水活动相结合，在塞舌尔群岛西北海岸的18个潜水点开展了eDNA采样工作。研究区域涵盖了两个海洋保护区（Baie Ternay和Port Launay海洋国家公园）和非保护区域，以及珊瑚和花岗岩两种主要底质类型。通过使用针对软骨鱼类的12S标记（Elas02引物）进行代谢条形码分析，研究人员不仅成功检测到了预期中的软骨鱼类，还出人意料地获得了大量硬骨鱼类物种信息。

研究团队采用的主要技术方法包括：利用附着在潜水员气瓶上的metaprobe被动采集eDNA样本；使用DNeasy Blood and Tissue Kit（Qiagen）从纱布中提取DNA；通过Illumina iSeq平台对12S rRNA片段进行高通量测序；运用vsearch、swarm等生物信息学工具进行序列处理和分子操作分类单元（MOTU）聚类；结合本地鱼类数据库和全球数据库进行多方法 taxonomic assignment；最后通过microdecon R包去除污染噪音，并利用mfd包进行功能多样性分析。样本来源于塞舌尔马埃岛西北海岸的18个潜水点，包括保护区内外的不同底质类型栖息地。

研究结果显示，从18次潜水采集的样本中，研究人员共鉴定出174种鱼类，包括8种软骨鱼类和166种硬骨鱼类，对应112个独特的功能实体（functional entities）。值得注意的是，检测到的软骨鱼类中多数属于濒危物种，如灰礁鲨（Carcharhinus amblyrhynchos）、镰状真鲨（Negaprion acutidens）和ocellated eagle ray（Aetobatus ocellatus）等，这些物种主要出现在海洋保护区内，表明保护措施对濒危物种的生存具有积极意义。

在商业价值方面，研究发现78种具有商业价值的鱼类在保护区内显示出更高的相对DNA含量（通过平方根转换的read count表示），包括豹纹鳃棘鲈（Cephalopholis argus）、褐斑鹦嘴鱼（Chlorurus sordidus）和黑鹦嘴鱼（Scarus niger）等。PERMANOVA分析证实了保护区内商业鱼类 abundance patterns 的显著差异（R² = 0.11, p = 0.01）。

关于α多样性，保护区内站点的平均物种数（20.4种）显著高于非保护区站点（11.9种），珊瑚底质站点的物种数（19.8种）也明显高于岩石底质站点（9.7种）。非度量多维标度（nMDS）分析显示，无论是基于保护状态还是底质类型，鱼类群落结构都呈现出明显的分离模式。

功能多样性分析揭示了更为深入的生态模式。研究人员基于最大体长、深度范围、集群行为、水层位置和营养类别这五个功能性状，将174个物种归类为112个功能实体。保护区和珊瑚栖息地不仅拥有更高的功能实体数量，还表现出更广泛的功能特征范围。特别是，保护区内检测到了更多大型远洋顶级捕食者，如灰礁鲨、刺鲅（Acantocybium solandri）和梭鱼（Sphyraena sp.），这些物种在生态系统功能维持中扮演着关键角色。

通过4D功能空间的凸壳分析，研究发现保护区内的功能实体占据了全球功能空间的近90%，而非保护区仅覆盖76%。珊瑚和岩石栖息地之间的功能差异更为明显——珊瑚站点覆盖了99%的功能空间，而岩石站点仅覆盖45%，且98%的差异来源于嵌套性成分（nestedness component），表明岩石栖息地的功能实体仅是珊瑚栖息地的子集。

研究结论与讨论部分强调，这种将低技术被动eDNA采样与休闲潜水活动相结合的方法，为扩大海洋生态监测规模提供了可行路径。尽管研究在采样点数量和地理覆盖范围上存在局限，但仍在有限的努力下获得了令人印象深刻的物种检出率——检测到的物种数相当于Fishbase中记录的塞舌尔礁岩关联鱼类的近20%。

该研究的重要意义在于：首先，证明了metaprobe与公众参与相结合的模式能够有效监测珊瑚礁鱼类的分类和功能多样性；其次，揭示了即使小面积的海洋保护区也能对濒危物种保护和商业鱼类资源恢复产生积极影响；第三，展示了eDNA数据在功能多样性研究中的有效性，为生态系统功能评估提供了新视角；最后，为建立低成本、高参与度的珊瑚礁监测网络提供了实践范例。

研究人员也指出了研究的局限性，包括采样点数量有限、地理覆盖范围较窄、参考数据库的不完整性，以及被动采样可能相对于主动过滤方法的DNA捕获效率较低等问题。未来研究可通过增加采样点、结合多种引物组合、整合传统调查方法等方式进一步提高监测的全面性和准确性。

这项研究为珊瑚礁生态系统的保护和管理提供了科学依据，同时也展示了一种创新性的公众参与科学模式。通过将先进的eDNA技术与休闲潜水活动相结合，研究人员不仅获得了高质量的生态数据，还促进了公众对海洋保护的认识和参与，为实现珊瑚礁生态系统的可持续管理和保护开辟了新的途径。