将两种生态差异显著的澳大利亚淡水鱼种的环境DNA(eDNA)相对生物量与丰度指数同电捕法所得估算值进行关联分析

《Aquatic Sciences》：Correlating eDNA indices of relative biomass and abundance with those derived from electrofishing for two ecologically disparate Australian freshwater species

　　

针对全球日益关注利用环境DNA(environmental DNA, eDNA)非侵入性监测鱼类种群的效用，本研究评估了eDNA浓度与电捕法(electrofishing)所得相对生物量及丰度之间的相关性，研究对象为两种生态特征迥异的澳大利亚本土淡水鱼种——鳕鲈(Maccullochella peelii, Murray cod)和骨鲱(Nematalosa erebi, bony herring)。研究人员采用靶向线粒体12S 核糖体RNA(12S rRNA)的物种特异性eDNA检测方法，结合实时荧光定量PCR(quantitative PCR, qPCR)，对新南威尔士州三条河流各五个位点在2021年和2022年秋季采集的与船式电捕同步过滤的水样进行分析。尽管eDNA浓度偏低，研究人员发现两种鱼种的eDNA浓度均与相对生物量及丰度呈显著正相关，其中集群生活的骨鲱相关性强于多独居的鳕鲈。无论物种如何，日河流流量(discharge)均与eDNA浓度呈负相关，可能归因于稀释效应。研究结果表明，利用eDNA监测动态河流系统中的鱼类种群具可行性，但尚需完善采样方案并深入探究影响二者关系的各类生物与非生物因子。

研究论文解读：Correlating eDNA indices of relative biomass and abundance with those derived from electrofishing for two ecologically disparate Australian freshwater species

该论文发表于《Aquatic Sciences》。

一、研究背景与立题依据

传统淡水鱼类种群估测依赖电捕法(electrofishing)或致死性渔具，费时费力且具侵入性。环境DNA(environmental DNA, eDNA)作为非侵入性手段近年受关注，已有研究表明eDNA浓度可与鱼类生物量/丰度相关，但受物种生活史、水流、降解等多种因子干扰。先前对鳕鲈(Maccullochella peelii, Murray cod)的研究仅限于静水养殖或中宇宙(mesocosm)实验，未发现eDNA与绝对生物量的可靠关系，推测与独居习性致个体DNA脱落(deposition)变异大有关，并提出群居小型鱼类（如骨鲱Nematalosa erebi, bony herring）因群聚大量释放DNA可能弱化个体差异，更适于eDNA定量。此外，河流流量对eDNA稀释作用尚未在同类现场研究中充分探讨。因此，研究人员选取生态迥异、共域分布的鳕鲈（大型独居捕食者）与骨鲱（小型群居滤食者），在天然河流中同步采集eDNA水样与电捕数据，检验eDNA浓度能否反映相对生物量/丰度，及河流流量对其影响，以评估eDNA在动态河流系统中种群监测的适用性。

二、主要关键技术方法概述

研究人员于2021与2022年秋季，在新南威尔士州Lachlan河、Murrumbidgee河及Wakool河各选5个位点（共15站点，跨两年计30次采样），每站点划分8个50 m单元格。先于各单元格采集过滤水样提取eDNA，采用物种特异性引探靶向线粒体12S rRNA基因经实时荧光定量PCR(qPCR)测定eDNA浓度并换算为ng L^–1及copies reaction^–1；随后在同单元格开展90 s通电的船式电捕，记录捕获(caught)与观察(observed)个体的体长、体重以计算站点相对生物量(kg site^–1)与丰度(个体数 site^–1);同步记录水质参数并从最近水文站获取日均河流流量(discharge, Ml d^–1)。数据分析以eDNA浓度(×10⁵后必要时log转换)为响应变量，以电捕相对生物量或丰度及河流流量为固定效应，年、河流及站点嵌套为随机效应，拟合线性混合模型(Linear Mixed Model, LMM)并做Wald-F检验与边际/条件R²评估。

三、研究结果

Assays（引探性能）

研究人员新建骨鲱特异性引探扩增12S rRNA 123 bp片段，同源科物种无交叉扩增，效率98.9%，检出限(Limit of Detection, LoD)为4 copies reaction^–1，定量限(Limit of Quantification, LoQ)为5 copies reaction^–1（CV阈值35.0%）。鳕鲈引探沿用已发表验证体系。

Field data（野外检测与基本数据）

两年共捕获鳕鲈82尾（55–855 mm TL, 1.8–10,450 g）、骨鲱413尾（30–327 mm FL, 0.2–768 g）。三条河平均日流量：Wakool河258.1 Ml d^–1、Lachlan河2469.8 Ml d^–1、Murrumbidgee河5207.5 Ml d^–1；2022年流量显著高于2021年。剔除抑制与缺失样本后纳入分析237份过滤水样中197份。两物种eDNA均于所有位点被检出：鳕鲈平均4.5–98.9 copies reaction^–1，8个位点低于LoQ(32 copies reaction^–1)；骨鲱平均0.5–22.0 copies reaction^–1，10个位点低于LoD，12个位点低于LoQ。阳性与阴性对照符合预期。

线性混合模型结果

两种鱼eDNA浓度与电捕相对生物量、丰度均呈显著正相关(p < 0.05)；河流流量呈显著负相关(p < 0.05)，仅鳕鲈生物量模型中流量未达显著(p > 0.05)。骨鲱模型的边际R²(~0.32–0.35)高于鳕鲈模型(0.09–0.10)，两者条件R²均>0.5。表明固定效应（生物量/丰度及流量）对群居骨鲱eDNA变异解释力更强，而对独居鳕鲈随机效应（站点、河流、年份）占主导。

四、讨论与结论总结（翻译浓缩研究结论）

本研究进一步支持eDNA可作为非侵入性监测淡水鱼类相对生物量与丰度的工具。尽管两物种生态迥异致使eDNA—生物量/丰度相关强度不同，但均呈正向趋势，说明经进一步田间试验可建立预测相对生物量的模型，但须考量若干限制因素：(1)低于定量限(LoQ)的eDNA样本处理方式尚无共识，本研究通过六次qPCR重复提高低浓度估算精度且未影响显著相关结论，但仍需优化低浓度eDNA数据处理规范；(2)仅秋季采样无法评估繁殖期脱落率变化及季节动态，未来应涵盖多季节与更广流量梯度；(3)eDNA受沉积、降解、稀释及环境因子（含流量）多重交互影响，虽以随机效应纳入部分变异，尚待量化其余生物/非生物过程；(4)电捕本身存尺寸选择性与捕获效率偏差且eDNA可源自采样区外上游，故两种方法均不直接给出绝对丰度，其价值在于提供可纵向比较的相对指标。群居高丰度的骨鲱因大量个体DNA释放削弱个体脱落差异，较独居鳕鲈显示更强eDNA—生物量相关，与此前金黄鲈(Macquaria ambigua)结果一致，提示eDNA定量在群居物种更具潜力。两物种eDNA浓度皆随河流流量升高而下降，符合高流量稀释假说，建议在模型中校正流量或择低流量期采样以提升精度。与早前静水实验未发现鳕鲈eDNA—绝对生物量关系的结果差异，可能源于自然水体eDNA存留、降解及行为介导脱落模式不同于封闭系统。综上，自然河流中eDNA浓度与电捕相对生物量/丰度呈一致正相关，证实eDNA有望成为广阔流域多物种同步监测或辅以电捕的常规工具；后续应扩大样本、纳入时空因子校正，完善预测模型并推动方法标准化。