《Frontiers in Marine Science》：Diversity and distribution assessment of elasmobranchs in a shallow estuarine lagoon using environmental DNA
编辑推荐：
Shinnecock Bay 是纽约长岛东南部一处小型浅水潟湖与障壁海滩河口，近年来已成功实施生态修复。轶闻观察、底栖拖网调查以及诱饵遥控水下视频表明，该海湾内存在多种板鳃类。然上述方法具有较强选择性，且很可能低估板鳃类物种多样性。为改进对板鳃类多样性的表征，
Shinnecock Bay 是纽约长岛东南部一处小型浅水潟湖与障壁海滩河口，近年来已成功实施生态修复。轶闻观察、底栖拖网调查以及诱饵遥控水下视频表明，该海湾内存在多种板鳃类。然上述方法具有较强选择性，且很可能低估板鳃类物种多样性。为改进对板鳃类多样性的表征，并更好地服务于生态系统建模以及海湾研究、修复与管理工作，研究人员采用了环境DNA（eDNA，environmental DNA）这一高效、非侵入性的工具，以检测稀有、季节性出现及高移动性的游泳性水生动物（nektonic species）。本研究报告了于 2021 年和 2023 年在 Shinnecock Bay 开展的板鳃类定向 eDNA 调查结果。利用板鳃类特异性引物组构建的 eDNA 文库显示，在两个采样年度共检出 12 种独特板鳃类物种，而传统底栖拖网方法此前仅识别出 4 种。eDNA 结果还提示了海湾内常见板鳃类物种的时空分布格局。因此，本研究证明了 eDNA 在检测这一总体上受威胁、且通常难以评估的分类类群方面具有更高效能，并提供了一种可扩展工具，可用于增强生态系统评估并为受威胁板鳃类种群管理提供依据。
本文发表于《Frontiers in Marine Science》，聚焦于纽约长岛 Shinnecock Bay 浅水河口潟湖中板鳃类多样性及分布的评估问题。研究背景在于：滨海海湾与河口是高生产力、强动态且受人类活动显著影响的生态系统，因而需要持续、精准的生物多样性监测支撑生态修复与管理。Shinnecock Bay 虽然是一个已有较多研究基础的河口系统，但其板鳃类，尤其是鲨类和鳐类的物种组成长期缺乏系统调查。既往 Shinnecock Bay Restoration Program（ShiRP）主要依赖底栖拖网及面向硬骨鱼的 eDNA 检测进行长期监测，但这些方法对板鳃类并不敏感。底栖拖网易受体型、活动能力、栖息层位和稀有度等因素影响，可能遗漏高机动性或低丰度物种，从而低估实际多样性。与此同时，美国东海岸及全球多个板鳃类种群在 20 世纪 80 至 90 年代经历显著衰退，叠加商业捕捞、休闲捕捞、气候变化及板鳃类自身生活史较长等因素，使该类群监测具有更高紧迫性。因此，开展针对板鳃类的非侵入式高灵敏度调查，对于完善海湾生态系统认知、提升修复成效评估和支持保护管理具有重要意义。
在此背景下，研究人员采用板鳃类特异性环境DNA（eDNA）方法，对 2021 年和 2023 年 Shinnecock Bay 的板鳃类群落进行调查，旨在检验 eDNA 能否比传统底栖拖网更全面地识别该海湾板鳃类的存在与分布。研究结果表明，2 年 eDNA 调查共检出 12 种板鳃类，而 12 年传统底栖拖网仅记录到 4 种，显示 eDNA 在物种检出效率上具有明显优势。研究还揭示了若干常见或关键物种在月份和栖息地之间的差异分布，例如光滑星鲨（Mustelus canis）在各月和多数站位持续检出，牛鼻鳐（Rhinoptera bonasus）则显示出明显季节性和栖息地相关性。研究结论强调，eDNA 是评估受威胁且难以监测的板鳃类群落的有效工具，能够补充甚至在某些情况下比传统方法更真实地反映群落组成，对生态系统建模、生物多样性制图、修复成效评估及板鳃类保护管理具有重要应用价值。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：在 2021 年 5–10 月与 2023 年 7–9 月，于 Shinnecock Bay 的 11 个拖网站位、2 个蛤类保护区站位及 2023 年新增的 6 个牡蛎礁修复站位同步采集表层水样；使用板鳃类特异性 12S 线粒体 rRNA 基因引物 Elas02 扩增目标片段，并通过组织、血液及水族箱水样进行引物优化验证；经膜过滤、DNA 提取、PCR 扩增与 Illumina NovaSeq 6000 高通量测序建立 eDNA 文库；随后利用 REVAMP 流程、DADA2 扩增子序列变体（ASV，amplicon sequence variant）识别及 BLAST+ 分类注释开展生物信息学分析，并结合阴性对照和阈值过滤控制污染与误分配信号。
在结果部分，论文首先报告了“Optimization”结果。研究人员通过 4 组优化实验验证了 Elas02 引物组在本地应用中的有效性。皮下肌肉组织样本中，Squalus sp. 与 M. canis 均获得高比例目标序列；长岛水族馆鲨鱼池样本成功检出采样时池内存在的 3 种板鳃类，即 Carcharias taurus、Orectolobus japonicus 和 Ginglymostoma cirratum；Cornell Cooperative Extension 鲨鱼池重复样本主要检出 Scyliorhinus retifer；无菌 M. canis 血液样本中 100% 的板鳃类 ASV 均被注释为 M. canis。这些结果说明该引物组能够在单物种、多物种及复杂背景条件下稳定扩增目标类群，且总体不存在显著共扩增干扰。对于 Squalus acanthias，流程仅能保守注释至属水平 Squalus sp.，反映出该类群在宏条形码物种分辨上的已知限制。
在“Experimental sample results”部分，研究人员系统比较了 eDNA 与传统底栖拖网的检出结果。综合 2021 年与 2023 年数据，eDNA 共检出 12 种板鳃类，分别包括 Myliobatis freminvillei、Rostroraja eglanteria、Rhinoptera bonasus、Leucoraja erinacea、Isurus oxyrinchus、Pteroplatytrygon violacea、Bathytoshia centroura、Bathytoshia sp.、Carcharias taurus、Mustelus canis、Squalus sp. 和 Gymnura altavela，而长期拖网仅记录到 R. eglanteria、M. canis、Squalus acanthias 和 B. centroura 共 4 种。这一结果直接表明 eDNA 在短期内获得的物种信息量远高于长期传统监测。2021 年 eDNA 检出 7 种，2023 年检出 9 种；其中 8 种为既往拖网从未发现的新记录物种，说明海湾中的板鳃类多样性明显被传统方法低估。
在具体物种方面，M. canis 是两个采样年度中最广泛且最稳定检出的 ASV，在 2021 年和 2023 年分别占注释序列的 57.8% 和 59.7%。这一结果与拖网历史数据形成对照：拖网中最常捕获的是 R. eglanteria，而非 M. canis。研究人员据此指出，拖网对底栖、活动较慢、体表面积较大的鳐鲼类或鳐类可能具有更高捕获概率，而对更灵活、更具移动性的鲨类代表性不足；相较之下，eDNA 更可能反映真实的相对存在格局。
R. bonasus 的结果体现了 eDNA 对迁移性物种时空格局的识别能力。2021 年该物种仅于 8 月检出；2023 年随着牡蛎礁修复区纳入采样，研究人员在 7–9 月均检测到该物种，其中 8 月在牡蛎礁区域的相对丰度最高，9 月则同时出现在牡蛎礁和海湾东部站位。这些结果说明扩大栖息地覆盖后，eDNA 能更细致地揭示牛鼻鳐在不同月份和栖息地间的出现模式，也为理解其与食物资源及修复栖息地之间的关系提供了基础信息。
I. oxyrinchus 的检出同样具有代表性。该物种仅在 2021 年靠近海湾入海口的站位被检测到，且该样本中相关 ASV 占比达 99%。这是研究团队首次在该海湾通过任一方法识别到大型远洋鲨类，提示 eDNA 能够捕捉高移动性顶级捕食者的短暂出现事件。2023 年在海湾东部检出 C. taurus，则构成第二个大型海洋性鲨类记录。论文指出，此类结果对于评估河口是否可能被大型鲨类用于育幼或暂时利用具有潜在价值，因而应纳入生态系统模型和修复规划考量。
R. eglanteria 在两年所有采样月份中均有检出，显示其在海湾内具有持续存在性，但 eDNA 中的相对丰度低于 M. canis，与拖网中该物种占绝对优势的结果不一致。该差异再次强调方法学选择性对群落认知的影响。Leucoraja ocellata 仅在 2021 年被检出，且主要出现在 5 月和 10 月，夏季无检出；2023 年因采样季缩短未覆盖这两个时段，故未检测到该物种，反映了板鳃类显著的季节性。Gymnura altavela 则是 2023 年值得关注的稀有检出，eDNA 结果与当地同期轶闻记录相互印证，进一步支持该方法识别稀有物种的有效性。总体上，两年中开放水域的板鳃类检出多于牡蛎礁或蛤类保护区，而 M. canis 几乎在所有栖息地类型中均有分布。
在“Discussion”部分，研究首先总结了引物组与优化实验的意义。优化结果显示，Elas02 能够可靠扩增本地目标板鳃类，并在复杂环境中维持较好分辨能力。尽管物种级分辨率并非 100%，且某些近缘类群如 Squalus 难以精确到种，但该方法总体足以支持区域多样性评估。研究还讨论了 eDNA 的若干优势：其一，能够非侵入式检测稀有、高机动性和传统方法难以覆盖的物种；其二，能够揭示月份与栖息地尺度上的时空分布模式；其三，可作为长期监测与生态系统管理的补充工具。尤其是在 Shinnecock Bay 这样正在修复中的河口系统中，纳入板鳃类这一高营养级类群，对构建更完整的生态系统图景具有必要性。
论文同时审慎讨论了 eDNA 局限性。首先，Elas02 的体外或计算机模拟扩增率虽高，但无法对所有板鳃类实现完美种级分辨。其次，eDNA 信号会受到 DNA 降解时间、水动力输运、温度、pH、盐度、引物结合效率、测序偏差及不同物种脱落速率差异等因素影响，因此读段数并不等同于个体数或绝对生物量。尽管如此，文中结合既有研究指出，海洋环境中的 eDNA 通常降解较快，局地来源信号对检出结果贡献更大；本研究水族箱优化实验中强烈的本地物种信号也支持这一点。因此，研究人员认为，虽然 eDNA 无法替代形态测量、年龄结构或种群统计信息，但其在存在/缺失判定、多样性普查和时空监测方面具有独特优势。
在“Broader implications for Shinnecock Bay”部分，研究人员进一步指出，本研究为后续围绕食物来源、营养级位置、栖留时间及繁殖/育幼场等问题的深入研究奠定了基础。特别是对牛鼻鳐等脆弱物种，eDNA 有望提供更精细的时空信息，从而帮助修复项目避开其高峰出现期，优化双壳类保护区等管理措施。研究还强调，未来应扩大采样时间覆盖全年，以识别冬季可能进入海湾的板鳃类，并进一步完善季节性群落结构认知。
研究结论部分可概括翻译如下：本研究表明，环境DNA（eDNA）能够比传统底栖拖网更高效地检测 Shinnecock Bay 中的板鳃类多样性，并可揭示其时空分布特征。通过 2021 年和 2023 年的调查，共检出 12 种板鳃类，而长期拖网仅记录到 4 种。该方法为受威胁且难以评估的板鳃类群体提供了一种非侵入式、可扩展的监测手段，可用于加强生态系统评估、支持生物多样性恢复成效分析，并为 Shinnecock Bay 及类似河口系统中的板鳃类保护与管理提供科学依据。
