整合环境DNA与视觉调查技术提升珊瑚礁鱼类生物地理分布范围的物种检测能力

本研究通过结合环境DNA（eDNA）宏条形码技术与传统视觉调查方法，在澳大利亚东部2000公里纬度梯度上系统评估了珊瑚礁鱼类群落的分布模式。结果表明，eDNA能更有效地检测热带肉食性、杂食性、底栖无脊椎动物食性、浮游生物食性和碎屑食性鱼类，尤其在物种分布边缘区域优势显著；而视觉调查对温带物种和底栖鱼类的检测更具优势。该多方法整合策略为气候变化背景下物种分布偏移监测提供了更全面、精准的技术框架。

　　

ABSTRACT

海洋物种分布因气候变化发生快速偏移，亟需开发覆盖全分布区的有效监测手段。传统视觉调查虽广泛应用于物种分布追踪，但易遗漏小型、稀有或隐蔽物种，导致范围变化评估不足。环境DNA（eDNA）技术突破这些限制，但其在物种分布边缘的检测效能尚待深入研究。

1 Introduction

气候变化已导致超过12,000个物种发生生物地理分布偏移。海洋生物因具有更广的热耐受性和更快的迁移速度（约72公里/十年），其分布变化较陆地生物更为显著。物种分布动态受环境耐受性、种间相互作用、栖息地关联及扩散能力共同影响。热带鱼类作为全球最丰富的脊椎动物类群，对气候变化尤为敏感。热带化现象促使热带鱼类向亚热带和温带生态系统扩散，引发新型种间相互作用并改变生态系统功能。视觉调查虽能大尺度监测物种分布，但受分类专业知识和物种可检测性限制，对形态和行为特化的隐蔽物种存在检测偏差。eDNA宏条形码技术通过检测环境中自然释放的遗传物质，为稀有、低丰度和隐蔽物种的监测提供非侵入性解决方案。

2 Methods

2.1 Study Location

研究区域位于海洋变热热点区——澳大利亚东海岸，涵盖热带、亚热带和温带礁区（19.1°–36.9°?S）。该区域受东澳大利亚暖流强化影响，升温速率达全球平均的3–4倍，成为研究物种重新分布的天然实验室。

2.2 Visual Surveys and eDNA Sampling

视觉调查采用10米长带状样带法（宽度2米，面积40?m²），记录所有鱼类物种及丰度。eDNA采样在每个站点随机采集10个1升海水样本，经GF/C滤膜（孔径0.70?μm）过滤后保存于-80°C直至提取。

2.3 eDNA Extraction and Metabarcoding

使用ZymoBIOMICS 96 MagBead DNA试剂盒提取DNA，采用MiFish通用引物进行扩增（38个循环）。测序在OIST测序中心使用MiSeq v3 600循环试剂盒完成（2?×?150?bp双端测序）。

2.4 Data Processing and Analyses

序列经CutAdapt质控和DADA2去噪后生成ASVs（Amplicon Sequence Variants）。通过BLAST比对MitoFish数据库进行物种鉴定（相似度≥97%，查询覆盖率≥80%）。功能性状（热亲和性、营养群和水层位置）分类依据FishBase和文献资料。采用广义线性模型（GLM）分析物种丰富度与纬度、方法的关系。

3 Results

3.1 eDNA Sequencing Results

共获得44,280,382条原始 reads，质控后保留35,633,809条高质量 reads（平均每样本296,948?±?22,374条）。

3.2 Species Detections Along Biogeographic Ranges

eDNA总体比视觉调查多检测25个物种（144 vs. 119种），但仅33种被两种方法共同检测。热带物种丰富度随纬度升高而降低，eDNA在热带物种检测中优势显著（多检出44种），尤其在温带边缘区域检测到13个独特物种（包括3种热带草食性鱼和2种隐礁鱼类）。视觉调查在温带物种检测中表现更优（多检出20种），特别是在其温暖 trailing edge。功能群分析显示eDNA对热带肉食性、杂食性、底栖无脊椎动物食性、浮游生物食性和碎屑食性鱼类的检测效能显著更高，而视觉调查更擅长检测温带肉食性、底栖无脊椎动物食性和底栖物种。

4 Discussion

两种方法在功能群检测上存在显著互补性：eDNA擅长检测移动性、隐蔽性和低丰度物种，而视觉调查对 conspicuous 底栖温带物种更敏感。eDNA在温带生态系统中检测到的13个热带物种中，12个超出其已知最南分布记录，包括具有生态工程功能的热带草食性鱼类（如刺尾鱼和鹦鹉鱼）和能量传递关键种隐礁鱼类。方法学差异可能导致对温带物种分布收缩的错误判断，凸显多方法整合的必要性。研究局限性包括eDNA数据库覆盖度不足和相近物种分辨困难，但结合传统方法可显著提升物种分布评估的准确性。

Author Contributions

C.H.和I.N.共同设计研究；C.H., A.M., I.N.和D.J.B.完成野外工作；A.H.O.A.负责DNA提取和生物信息学分析；T.R.提供资金和试剂支持；C.H.完成统计分析和论文撰写；所有作者参与稿件修订。

Acknowledgements

感谢冲绳科学技术大学院大学核心设施提供的测序和计算支持，以及澳大利亚研究委员会（ARC）和环境研究所的资金资助。

Ethics Statement

实验遵循阿德莱德大学和悉尼科技大学动物伦理规范（许可号：S-2020-13和2017-1117），并在新南威尔士DPI科学采集许可（F94/696(A)-9.0）和大堡礁海洋公园许可（G20/43958.1和G21/45557.1）下完成。

Conflicts of Interest

作者声明无利益冲突。