流量校正的环境DNA（eDNA）浓度可作为跨异质淡水系统中太平洋鲑（Oncorhynchus spp.）活体产卵鱼丰度的中等有效预测指标

《Aquaculture, Fish and Fisheries》：Evaluating Environmental DNA for Pacific Salmon Spawner Enumeration Across Diverse Freshwater Systems

　　

推动环境DNA（eDNA）超越物种检测的应用，可为估算鱼类丰度提供可扩展的工具，但eDNA浓度与丰度之间的预测关系往往具有系统特异性，并受高度多变的环境条件影响。本研究在加拿大不列颠哥伦比亚省28条溪流和河流系统的39个鲑鱼产卵场及洄游通道上，通过采集eDNA样本、统计产卵鱼数量并测量环境变量，评估了鲑鱼（Oncorhynchus spp.）eDNA能否在异质淡水栖息地中预测产卵鱼丰度。研究发现，鲑鱼eDNA浓度受流量（discharge）的强烈影响，且只有在以流量校正eDNA浓度后，eDNA与产卵鱼数量之间的关系才得以显现。经流量校正后的鲑鱼eDNA对活体产卵鱼数量具有正向但中等程度的预测能力（R2 = 0.21），而死亡鲑鱼的数量则未能得到良好预测。研究还表明，在缺乏设备密集型流量测量的情况下，流速点测量值（尤其是河道中心处测得的流速）结合河道宽度，可作为流量的充分替代指标。水温和浊度对经流量校正后的鲑鱼eDNA浓度无显著影响，但鲑鱼eDNA与细菌eDNA之间存在正相关关系。上述结果表明，经流量校正的eDNA浓度可跨多样化的流水系统提供有用但中等程度的活体鲑鱼产卵鱼丰度指数，同时也表明在eDNA丰度估算方法能够被纳入或替代传统资源评估方法之前，仍需进一步研究eDNA与鲑鱼丰度之间的关系。

论文解读

一、研究背景与问题

环境DNA（eDNA）技术因其灵敏、非侵入性、可在精细时空尺度上监测水生物种等优势，已成为水生生态监测的重要工具。然而，eDNA目前主要应用于物种检测和生物多样性评估，其在丰度估算方面的应用仍处于早期发展阶段。对于渔业管理而言，物种丰度信息是种群评估、捕捞规划和保护决策的关键依据，因此将eDNA从定性检测拓展至定量丰度估算具有重要的应用价值。

太平洋鲑（Oncorhynchus spp.）的管理尤其能从eDNA丰度估算中获益。鲑鱼洄游所占据的淡水栖息地范围极广，涵盖小型城市溪流到大型冰川河流和湖泊，传统资源评估方法（如溪流徒步计数、拦鱼堰、浮潜调查和航空调查）常受能见度、可达性、成本、人力和可扩展性等限制，导致许多小型系统因后勤困难而长期缺乏监测。eDNA因其高度可扩展性、非侵入性、操作简便和成本效益高，有望填补这一空白，作为现有资源评估项目的补充工具。

然而，eDNA丰度估算面临的核心挑战在于：eDNA浓度与丰度之间的关系能否跨多个溪流和河流系统推广。已有研究表明，在流水系统中eDNA浓度与鱼类数量之间存在有前景的相关性，尤其是在考虑环境条件（最显著的是流量）之后。但不同研究结果存在差异，特别是关于流量和其他环境变量影响程度的结论不一致，表明在eDNA能够被可靠地用于支持资源评估项目之前，仍需进行额外的跨系统评估。此外，环境条件（如流量、水温、浊度、微生物活动等）通过影响eDNA的稀释、运输、降解和释放过程来改变eDNA浓度，识别对丰度建模最重要的环境协变量是发展可辩护且实用的eDNA方法的基础。

二、研究内容与结论

本研究旨在评估鲑鱼eDNA浓度能否在广泛的淡水产卵栖息地中预测产卵鱼丰度。研究人员在加拿大不列颠哥伦比亚省28个流水系统的39个鲑鱼产卵场和洄游通道上，将eDNA样本与产卵鱼计数和环境测量配对，检验经流量校正的鲑鱼eDNA能否预测活体、死亡和总产卵鱼数量，并调查更简单的流量测量能否作为流量的实用替代指标，同时评估水温、浊度和细菌eDNA是否解释了鲑鱼eDNA浓度的变异。

研究得出以下主要结论：经流量校正的鲑鱼eDNA浓度能正向预测活体产卵鱼数量（R² = 0.21），但预测能力为中等水平；死亡鲑鱼和总数量未能得到良好预测。在缺乏流量测量时，河道中心流速乘以河道宽度的简单测量可作为流量的充分替代指标。水温和浊度对经流量校正的eDNA浓度无显著影响，但鲑鱼eDNA与细菌eDNA之间存在正相关。研究强调了流量校正在流水环境中发展eDNA丰度工具的重要性，也指出了eDNA丰度估算方法在正式纳入渔业管理框架前仍需进一步校准的局限性。

三、关键技术与方法

研究人员在2023年10月至12月和2024年10月至12月两个产卵季开展野外工作，使用SmithRoot eDNA背包采样器在39个采样点（其中35个位于下弗雷泽流域，北汤普森和斯阔米什河流域各2个）过滤三份1L水样，通过1.5μm玻璃纤维滤膜采集eDNA。采用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测量流量、流速和河道宽度；使用数字温度计和浊度仪测量水温和浊度。产卵鱼计数采用溪流徒步直接目视调查和无人机（UAV）高分辨率摄影两种方式。实验室分析采用DNeasy Blood and Tissue Kit进行DNA提取，使用eSalmo2 qPCR检测方法靶向鲑鱼POLR2I基因进行定量，同时使用靶向16S rRNA基因的qPCR方法定量细菌eDNA。统计分析采用贝叶斯广义线性模型（Hamiltonian Monte Carlo，RStan实现），使用负二项回归和正态回归模型分别检验eDNA对产卵鱼数量的预测能力及环境协变量的影响。

四、研究结果

1. 环境变量与eDNA浓度范围

39个采样点的活体鲑鱼数量范围为0至233尾，死亡鲑鱼数量范围为0至320尾，总数量范围为1至331尾。鲑鱼eDNA浓度范围为0.1至6091.0 copies/μL，细菌eDNA浓度范围为11.0至525.1 pg/μL。流量范围为0.01至22.70 m³/s，但仅23%的站点流量超过3.00 m³/s，多数产卵点位于较小溪流。水温范围为4.8°C至17.5°C，浊度整体较低（均值0.75 ± 0.10 FNU）。

2. 流量校正eDNA对产卵鱼数量的预测

经流量校正的鲑鱼eDNA浓度能成功预测活体产卵鱼数量（系数b = 0.49，95%置信区间[CI] = 0.21–0.76；R² = 0.21）。死亡鲑鱼数量未能被良好预测（b = ?0.37，95% CI = ?0.77至0.04；R² = 0.06），总数量预测能力也较弱（b = 0.10，95% CI = ?0.14至0.34；R² = 0.04）。

3. 替代流量测量的效果比较

以不同流量替代指标校正eDNA后预测活体产卵鱼数量的效果排序为：河道中心流速×河道宽度（R² = 0.17）> 河道边缘流速×河道宽度（R² = 0.14）> 仅河道中心流速（R² = 0.10）> 仅河道边缘流速（R² = 0.08）。模型性能随测量对流量近似程度的降低而递减，但更简单的测量仍可作为流量的实用替代。

4. 环境协变量对鲑鱼eDNA浓度的影响

预测经流量校正的鲑鱼eDNA浓度的模型中，经流量校正的细菌eDNA是最强预测因子（b = 0.89；95% CI = 0.47–1.28），其次为log₁₀活体鲑鱼数量（b = 0.53；95% CI = ?0.05至1.11），log₁₀死亡数量影响较小（b = 0.37；95% CI = ?0.13至0.85），整体模型R² = 0.50。以总数量替代活体和死亡分别建模时也呈正相关（b = 0.58；95% CI = 0.01–1.18；R² = 0.46）。水温和浊度不是重要预测因子，其置信区间大部分与0重叠。

五、讨论与结论

讨论部分指出，尽管最初预期死亡鲑鱼会释放更多eDNA，但模型对活体鲑鱼数量的预测效果优于死亡或总数量。这一结果与野外观察一致，即密集堆积死亡尸体的产卵水道往往产生相对较低的eDNA浓度，与Tillotson等人（2018）的发现相矛盾。研究人员推测尸体死亡后存在eDNA释放的初始峰值，随后进入释放极少的阶段，建议未来通过笼养实验和引入尸体状态指标来进一步阐明活体与死亡产卵鱼eDNA释放的差异。

关于流量校正的必要性，研究结果印证了先前多项研究的结论。流量在eDNA运输中同时体现流速（指示eDNA向下游运输的速度）和横截面积（指示eDNA在该位置的稀释程度）的双重作用。由于精确测量流量需要昂贵设备且劳动密集，本研究验证了更简单的流速和河道宽度测量可作为流量的替代指标，这对eDNA监测方法的实际推广具有重要意义。

水温和浊度在本研究中未对eDNA浓度产生显著影响。虽然实验室实验表明温度可通过影响鱼类代谢活动来改变eDNA释放速率，但野外研究结果不一，提示温度影响可能具有物种和系统特异性。浊度方面，本研究的采样点整体浊度极低，可能限制了其作为模型协变量的价值。

细菌eDNA与鲑鱼eDNA的正相关关系值得关注。这是首次在跨系统研究中将细菌丰度作为协变量纳入鱼类eDNA浓度变异分析。虽然微生物活动被认为通过分泌DNA降解酶影响eDNA降解，但本研究靶向高度保守的16S rRNA基因可能掩盖了特定产核酸酶菌群的信号。这种正相关可能源于鱼类本身，也可能是eDNA分子相互粘附的假象。

研究存在若干局限性：模型性能中等，eDNA尚不能替代传统计数方法；计数不确定性在能见度差的系统中尤为突出；200m计数样带可能未完全覆盖eDNA运输的空间尺度；尸体状态差异、幼鱼存在和物种特异性释放速率也可能限制模型表现。未来研究应测试配对鱼群计数与eDNA的替代空间尺度，并评估产卵季内重复采样是否能改善跨系统的eDNA丰度建模。

研究结论：通过评估多样化产卵栖息地中的鲑鱼eDNA，本研究证明经流量校正的eDNA浓度可以反映超越单一溪流或河流尺度的活体产卵鱼丰度变异。研究强调了在流水环境中发展eDNA丰度工具时考虑流量的重要性，并指出需要考虑站点特异性水文条件。虽然仍存在限制eDNA丰度工具正式纳入渔业管理框架的不足，但研究结果支持未来进一步校准此类工具以扩展鲑鱼产卵栖息地的监测能力。更广泛而言，这项工作有助于界定eDNA鱼类计数工具跨系统的前景与当前局限。