环境DNA宏条形码揭示的昼夜与人工光照对近岸群落的影响

《Environmental DNA》：Diel and Artificial Light Effects on Nearshore Communities Revealed by eDNA Metabarcoding

　　

光照条件的变化可能对生态群落产生显著影响，但由于难以区分生态信号与背景变异，测量这些效应具有挑战性。本研究利用环境DNA（eDNA）检测了近岸海洋群落中与光照相关的改变。在美国华盛顿州星期五港实验室（FHL）的8天期间，研究人员在正午和午夜采集了有无人工光照处理的海水样本，共分析了84个样本（3升三重样本），使用牛津纳米孔（Oxford Nanopore）MinION平台上的COI（细胞色素c氧化酶亚基I）和12S（12S核糖体RNA）标记进行测序。检测到229个真核生物（COI）和77个脊椎动物（12S）分类单元，涵盖11个营养类群，以初级生产者（89种）、底栖无脊椎动物和鱼类为主。宏条形码技术捕获了30分钟内的群落重组，因此可以观察到夜间人工光照处理的有意义效应（尤其是在产卵的多毛类动物中），以及昼夜之间更基本的群落转变（例如，初级生产者、胶质浮游动物和滤食者在白天更常见）。这些技术为生态群落的近实时整体变化评估提供了手段，本研究结果阐明了光照水平对物种和类群的特异性效应，这些效应可能对全球近岸海洋群落的结构具有重要作用。

### **论文解读：环境DNA宏条形码揭示昼夜与人工光照对近岸群落的影响**

**研究背景与问题**
光照是海洋生态系统生态动力学最基本的驱动因素之一，影响着能量流动、物种相互作用和生态系统结构。自然的昼夜光暗周期影响着广泛的类群，包括捕食者-猎物相互作用、摄食行为和运动模式。在近岸环境中，光照在一天内快速变化，物种表现出明显的昼夜活动节律。与此同时，夜间人工光照（ALAN，如码头照明）可能通过吸引浮游生物和饵料鱼类来改变这些模式，同时也改变捕食者分布和整体群落结构。理解光照如何塑造海洋群落对于解释沿海系统的精细尺度生物多样性模式以及评估日益增亮的海岸环境中光污染的生态后果至关重要。然而，研究昼夜之间生态群落的变化具有挑战性，因为大多数观测方法本身就可能改变所测量的模式。环境DNA（eDNA）宏条形码技术为同时检测从脊椎动物、无脊椎动物到浮游生物的广泛物种提供了独特机会，从而探索这些昼夜动态。它提供了一种非侵入性的生物多样性快照，在不直接干扰生物体的情况下捕获其分子痕迹，为昼夜条件下的群落组成提供了互补视角。尽管如此，很少有研究发现人工光照会破坏自然的昼夜周期，导致精细时间尺度上的海洋群落结构变化。浅水近岸系统，如华盛顿州圣胡安岛星期五港实验室（FHL）周围水域，为研究这些问题提供了天然场所。在水深约4米处，检测到的群落昼夜变化不太可能源于经典的深水垂直迁移，而主要预期来自光介导的行为改变。本研究旨在解决三个核心生态问题：eDNA能否用于检测海洋群落组成对自然昼夜周期和人工光照的短期（30分钟）变化？样本间经过时间、昼夜阶段（白天与夜晚）、人工光照处理和生物重复对群落差异性的影响是什么？在群落内部，不同分类群对周围光照条件变化的响应有何不同？

**研究方法概述**
本研究在美国华盛顿州星期五港实验室（FHL）码头附近水域的单一地点进行。环境DNA（eDNA）采样于2025年7月27日至8月3日进行，每日两次（正午和午夜）。每次采样事件包括两种处理：光照和无光照。对于每种处理，现场立即过滤三重3.0升表层海水样本。使用两个引物组靶向不同的遗传区域：靶向脊椎动物12S区域的MarVer1（MV1）和靶向真核生物COI区域的mlCOIintF/LoboR1。在牛津纳米孔MinION Mk1D设备上使用FLO-MIN114（R10.4.1）流动池进行测序。纳米孔测序数据按照既定流程进行处理，包括实时碱基识别、解复用、去重复和聚类。过滤后的操作分类单元（OTU）通过BLASTn比对NCBI真核生物数据库进行物种注释，并使用TaxonKit确定最低共同祖先（LCA）。所有检测到的分类单元均使用世界海洋物种名录（WoRMS）进行标准化分类和生态属性注释，并基于分类信息通过自定义分级分类算法分配到17个营养级别之一（如初级生产者、顶端捕食者等）。所有统计分析和可视化均在R中完成。为下游群落分析，将读长计数转换为eDNA指数以控制引物使用的物种特异性扩增偏差。使用Bray-Curtis距离矩阵测量成对样本间的差异性，并构建贝塔回归模型量化处理效应。

**研究结果**
**3.1 测序深度与采样效果**
测序后，COI分析保留了63个样本（36个白天，27个夜晚），12S分析保留了74个样本（37个白天，37个夜晚）。COI和12S的测序分别产生了超过2000万和1800万条原始读长。经过生物信息学过滤，COI和12S分别保留了36.7%和25.5%的原始读长，目标生物分配率分别为32.9%和70.6%。稀疏曲线和物种累积曲线均接近渐近线，表明测序深度充足，采样工作成功捕获了存在的大多数分类单元。

**3.2 跨时间和光照条件的群落差异性**
总体而言，两种标记（COI和12S）都表明驱动群落差异性的因素具有一致的模式。采样时段（白天与夜晚）和夜间采样期间的光照效应是两种数据集中群落差异性的最强驱动因素（p < 0.001）。采样时段导致差异性增加的估计对数尺度效应在COI和12S中分别为0.169和0.152，而夜间光照处理使群落差异性在COI和12S中分别增加0.111和0.278。对于两种标记，生物重复之间的成对差异性降低，表明同一组样本内的群落组成具有更高的可重复性。在白天采样期间，人工光照处理与群落差异性相对于截距的降低相关（COI：-0.083；12S：-0.160；p < 0.01），表明人工光照处理确实对群落组成产生了影响。时间自相关效应在标记间不同。虽然两种标记都表明差异性随时间增加，但COI的效应（0.055对数尺度效应大小）大于12S（0.014对数尺度效应大小）。

**3.3 分类、功能和物种特异性的昼夜-光照响应**
共有190个分类单元被成功注释并用于昼夜和光照相关响应分析，包括156个COI分类单元和34个12S分类单元。COI标记检测到9个营养类群，其中只有6个包含多于一个物种，而12S标记捕获了3个以脊椎动物为主的营养类群。跨两种标记，合并的数据集涵盖了8个主要的功能和营养类群。初级生产者（89种）是物种最丰富的类群，显示出与白天和无光照条件的强烈关联。优势分类单元——微小单胞藻（Micromonas pusilla，绿藻）、微小细胞藻（Minutocellus sp.，硅藻）和诺埃尔杆藻科（Noelaerhabdaceae，颗石藻）——都表现出昼行性活动但对光照敏感性不同。类似地，硅藻（Thalassiosira nordenskioeldii, Chaetoceros socialis）保持昼间关联模式和避光性，而异帽藻（Heterocapsa rotundata，甲藻）是少数表现出夜间偏好的浮游植物之一。其他几个类群——包括胶质浮游动物、滤食者、饵料脊椎动物和一部分食浮游生物者——显示出与初级生产者一致的昼间模式。在这些类群中，只有少数物种表现出对光照的显著正向响应。两个水母物种——越前水母（Phacellophora camtschatica，钵水母纲）和黑口管水母（Stomotoca atra，水螅纲）——是唯一对光照表现出持续正向响应的分类单元。底栖无脊椎动物（27种）表现出高度异质性的行为。多毛类动物如Glycinde、美洲吻沙蚕（Glycera americana）、粗壮吻沙蚕（Glycera robusta）和Laonice在夜间更丰富。多毛类动物Diopatra和Alitta也在夜间达到峰值。相比之下，强刺多毛虫（Leodice valens，多毛纲）、小足多毛虫（Micropodarke dubia，多毛纲）和海胆（Strongylocentrotus）在白天更常见。在脊椎动物数据集（12S标记）中，顶端捕食者主要在白天被检测到，在白天采样期间表现出对无光照条件的轻微偏好，并在夜间光照条件下丰度略有增加。中级捕食者表现出广泛的行为范围。

**讨论与结论**
本研究证明，eDNA宏条形码可以捕获精细时间尺度（30分钟内）的群落变化。所有五个预测在不同程度上得到了支持，揭示了跨分类群的大量行为和生态复杂性。预测一（eDNA将捕获短时间尺度内的组成变化）得到支持，与先前研究一致。预测二（昼夜阶段和夜间人工光照将是群落差异性的主要驱动因素）也得到支持。预测三（捕食性鱼类因被猎物聚集吸引而在人工光照下丰度增加，而猎物鱼类因躲避捕食者而减少）在很大程度上得到支持。预测四（浮游动物和活动无脊椎动物因正趋光性而丰度升高，而底栖无脊椎动物因躲避捕食者而在人工光照下减少）得到部分支持，并存在显著的分类对比。预测五（浮游植物主要与白天相关）得到支持。

**机制驱动物种特异性响应**：跨遗传标记的模式一致性支持了光作为主要结构因素的作用，而脊椎动物和无脊椎动物之间响应强度的差异则表明存在不同的潜在机制。脊椎动物更强的响应可能反映了它们对视觉线索的依赖和更高的流动性。顶端捕食者在光照条件下的聚集与猎物介导的吸引力机制一致。无脊椎动物的响应更为异质，反映了多种相互作用机制。多毛类动物检测增加可能由正趋光性、改变的摄食行为或繁殖活动驱动。初级生产者表现出一致的昼夜结构但对人工光照的响应各异，表明光生理差异驱动了沿光照梯度的生态位分化。

**时间与eDNA动态**：本研究的一个关键发现是，eDNA宏条形码可靠地检测到了仅30分钟内的群落组成变化。这种时间分辨率对于多物种群落评估是前所未有的，表明eDNA可以捕获近岸环境中快速、短暂的生态动态。能够解析30分钟的变化表明，研究地点的eDNA周转足够快，可以近乎实时地跟踪行为变化。

**方法论考量与局限性**：eDNA宏条形码为昼夜和光驱动动态提供了一个非侵入性的窗口，规避了许多直接观测方法固有的偏差。然而，几个方法上的注意事项仍然存在。首先，DNA脱落和降解速率的物种特异性变异意味着eDNA浓度可能与生物量不成线性比例。其次，水体动力传输可能将eDNA从其来源处转移。第三，PCR扩增偏差可能扭曲群落组成估计。最后，在行为背景下解释eDNA信号需要谨慎。

**生态学意义与管理应用**：夜间人工光照（ALAN）日益被认为是海洋生态系统中的一种生态压力源。通过改变自然光照机制，它有可能改变跨类群的捕食者-猎物相互作用、摄食行为、繁殖时间和栖息地利用。本研究发现昼夜阶段和人工光照共同塑造可检测的群落，强调ALAN效应不能孤立理解，而必须在自然光景观的背景下进行考量。季节背景也可能很重要。本研究采样发生在夏季，此时夜晚相对较短。在冬季，较长的黑暗期可能通过延长暴露时间和影响昼夜周期的更大比例来放大ALAN效应。最后，本研究证明了eDNA宏条形码用于快速生态评估的能力。所有野外采样、实验室处理、测序和分析均在为期三周的野外课程中完成，突显了该方法在时间敏感监测、教育项目和资源有限环境中的可行性。

**研究结论**翻译：本研究表明，eDNA宏条形码可以在非常精细的时间尺度上捕获群落变化，在人工光照暴露后30分钟内检测到组成变化。自然昼夜周期和人工光照共同塑造了浅水近岸海洋群落，不同分类群表现出独特的、光介导的行为响应。此外，便携式测序技术实现的快速周转使得完整的数据收集和分析在数周内完成，使得该方法对于时间敏感评估、教育项目和资源有限环境特别有价值。能够快速产生结果使得能够近乎实时地跟踪群落变化和对环境变化的行为响应。通过建立捕获以前难以测量的尺度上的短暂生态动态的能力，这项工作为研究海洋系统中的行为生态学、昼夜群落组装和生态系统对环境变化的响应开辟了新的研究途径。