环境DNA揭示了地中海生物地理交汇处海洋生物多样性的空间和垂直结构

《Marine Environmental Research》：Environmental DNA reveals spatial and vertical structuring of marine biodiversity in a Mediterranean biogeographic crossroads

　　摘要
地中海是一个生物多样性热点地区，需要频繁监测以检测生态变化并支持保护工作。在此背景下，西西里海峡（SoS）作为地中海西部和东部次区域之间的过渡带，具有高度的生物多样性和复杂的海洋过程，这些过程影响着物种的分布。尽管该地区已进行了多项研究，但现有的知识仍然零散，因为之前的研究主要关注领土的有限部分或特定的分类群，而没有提供整个后生动物多样性的全面评估。在这里，我们使用环境DNA（eDNA）宏条形码方法对该地区的海洋生物多样性进行了全面评估。样本来自三个不同的沿海区域，距离海岸的距离和深度各不相同。经过分类学处理后，宏条形码分析识别出362个属和227种独特的海洋后生动物（COI：283个属，215种；18S：79个属，15种；11个门，22个纲，30个目和3个共同物种）。近岸样本在两种标记下观察到的物种丰富度（S obs）都高于离岸样本，这与基于COI的数据在不同深度上的结果类似。贝塔多样性分析显示近岸和离岸站点之间的群落组成存在显著差异（PERMANOVA，p < 0.001）。两种标记都指出最西端的站点明显不同，而中部和东部的站点则更为相似。我们还检测到了六种非本地物种（NIS），以及受威胁的物种，如宽吻海豚（Tursiops truncatus）和暗斑石斑鱼（Epinephelus marginatus）。我们的研究强调了西西里海峡作为一个生物地理枢纽的重要性，具有高度的生物多样性。eDNA方法揭示了沿空间和垂直梯度的不同群落，并为监测脆弱的海洋动物和外来物种提供了相关信息。

引言
地中海是一个重要的海洋生物多样性热点地区，以其高物种丰富度和强烈的人类活动压力为特征（Coll等人，2012年），这突显了定期进行生物多样性监测的必要性。生物多样性评估对于评估海洋保护区的有效性以及早期发现非本地物种（NIS）和受威胁的分类群也非常重要。鉴于地中海盆地的显著环境和生物地理异质性，这种全面监测的需求尤为重要，该盆地大致可以分为三个主要区域：西地中海（WMED）、中地中海（CMED）和东地中海（EMED）（Carter，1972年）。
过去，人们特别关注东地中海。在这一区域，使用传统方法（Garofalo等人，2007年）和环境DNA（eDNA）技术（Russo等人，2021年；Aglieri等人，2023年）对动物群落进行了研究，发现其具有高度的生物多样性，并存在热带或亚热带起源的物种（Lejeusne等人，2010年；Azzurro等人，2022年）。相反，在西地中海，特别是在西班牙、法国和意大利等国家的沿海地区，生物多样性研究主要集中在已充分了解的沿海生态系统中，包括海草草地、岩礁和珊瑚群落（Marty-Gastaldi等人，2025年）。这些地区受益于长期的生态监测计划和相对广泛的分类学调查，提供了关于底栖无脊椎动物、鱼类群落和浮游群落的详细知识（Belmonte，2025年）。东地中海（EM）以温暖和贫营养的水域为特征，历史上被认为在生物量方面多样性较低，但越来越认识到其独特的群落和新的物种引入率（Wesselmann等人，2022年）。该盆地的研究主要集中在苏伊士运河的莱塞普斯移民、生物入侵和快速环境变化带来的生态后果（Khalil等人，2025年）。
在这两个相对立的地中海区域之间，中部盆地（CMED）是一个不同的生物地理元素相互重叠的过渡带（Spano’和De Domenico，2017年）。由于其作为物种扩散的关键通道的功能以及对气候驱动的环境变化的明显脆弱性，该地区吸引了越来越多的科学关注。2014年，西西里海峡（SoS）被《生物多样性公约》缔约方指定为生态或生物重要区域（EBSA），并在2023年被认定为重要的鲨鱼和鳐鱼区域（ISRA）（Sabatella等人，2024年）。这个可以定义为生物地理枢纽的区域，由于其复杂的水文状况和西部与东部水体的混合而成为地中海生物多样性的一个众所周知的热点（UNEP/MAP-SPA/RAC，2021年，https://spa-rac.org/wp-content/）。此外，SoS代表了西地中海和东地中海次盆地之间的主要生物地理边界（Di Lorenzo等人，2018年；Massi等人，2021年），尽管研究人员试图确定这一过渡带的确切位置（Bianchi，2007年）。
传统的海洋生物多样性评估方法，如捕捉和形态学鉴定，常常受到分类学专业知识下降、样本获取难度、许多物种的隐秘性质以及海洋栖息地的广阔性的限制（Van der Loos和Nijland，2021年）。eDNA宏条形码改进了区域间的空间可比性，并加深了我们对地中海大尺度生物多样性梯度的理解（Tagliabue等人，2025年）。这种方法通过提供关于海洋生物群落结构的见解，实现了对濒危物种的监测，并支持了对气候变化和污染等环境影响的评估（Rishan等人，2025年）。通过针对特定的基因区域，包括线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（COI）基因和核18S rDNA，宏条形码允许快速且经济有效地评估动物多样性和分布模式（Günther等人，2018年）。海洋宏条形码已成为研究海洋后生动物的无价工具，后者是一个包含无脊椎动物和脊椎动物的高度多样化群体（Miya Gotoh和Sado，2020年），以及检测稀有和非本地物种（Suarez-Bregua等人，2022年；Altermatt等人，2025年）。作为一种新兴方法，海洋宏条形码在整合到常规生物监测程序中显示出巨大潜力，为评估海洋生物多样性提供了一种全面而有效的方法。
尽管具有生态重要性，但中地中海的海洋动物多样性仍缺乏充分描述，尤其是在使用高通量测序技术的研究中（Massi等人，2021年；Zangaro等人，2024年；Madon等人，2025年）。特别是西西里海峡（SoS）的后生动物多样性仅部分被研究，因为之前的研究在空间覆盖范围和分类目标上都有所限制，主要关注特定的后生动物群体，和/或依赖于传统的、耗时的形态学鉴定方法（Spano等人，2013年；Sandulli等人，2015年；Massi等人，2021年；Cicala等人，2024年；Zangaro等人，2024年；Tokamani等人，2025年）。为了解决这些知识空白，我们进行了一项基于环境DNA（eDNA）的宏条形码调查，以对该地区的海洋生物多样性进行全面描述，包括广泛的空间覆盖和广泛的分类学代表性。具体来说，我们比较了SoS三个不同区域的真核生物群落的空间和垂直梯度，特别关注鱼类群落。此外，我们采用了双重标记宏条形码方法，针对18S rRNA和细胞色素c氧化酶亚基I（COI）基因，以减少标记特异性偏差并提高系统发育多样性分类群的检测能力。通过比较每种标记恢复的分类学覆盖范围和群落组成，我们旨在评估它们的互补性，并为未来的基于eDNA的生物多样性评估提供有价值的指导。

研究区域和采样方法
在本研究中，2024年夏季，在西西里海峡（Mediterranean Sea_SoS）的三个采样点采集了81个样本：西部、中部和东部（图1，表1）。每个点沿海岸-离岸梯度设置了九个采样站，每个站点进行了三次技术重复采样（RI-RIII），每个站点共得到27个样本（总共81个样本）。每个重复样本都赋予了一个简短的样本代码，用于生物信息学工作流程、DADA2输出表和分类学分配。

测序输出和ASV恢复
对于COI，DADA2处理了66个样本和4,227,137个输入读段。经过质量过滤后，保留了3,802,654个读段，占输入读段的90.0%。去除噪声、配对端合并和去除嵌合体后，保留了3,469,383个非嵌合读段，占输入读段的82.1%。最终的COI DADA2特征表包含3,469,383个读段和15,827个ASV，每个样本的测序深度范围从28,542到70,808个读段。对于18S，DADA2处理了...

讨论
我们的宏条形码方法提供了西西里海峡海洋后生动物多样性的全面概览，在两种分子标记下识别出362个独特属和227种独特物种。尽管eDNA宏条形码迅速成为海洋生物多样性评估的强大工具，但在西西里海峡的研究应用较少，限制了与以往分子调查的直接比较。尽管如此，我们的发现也与之前的研究结果大体一致。

结论
我们的结果表明，eDNA宏条形码是西西里海峡生物多样性监测的宝贵工具，具有很强的潜力，可以整合到常规生物监测程序中，并提供沿海-离岸和深度梯度的快速、非侵入性海洋群落评估。检测到许多鱼类分类群，包括具有保护和渔业价值的分类群，以及群落的空间结构，突显了这种方法的潜力。

利益分享声明
不适用。

作者贡献声明
Lorenzo Casbarra：写作–审阅与编辑，形式分析。
Bianca Gabbrielli：形式分析。
Anna Maria De Biasi：写作–审阅与编辑，资源。
Matteo Ramazzotti：写作–审阅与编辑，形式分析。
Mariella Baratti：写作–审阅与编辑，原始草稿撰写，验证，监督，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。
Joanna Giannessi：形式分析。
Matteo Oliva：形式分析。
Carlo Pretti：写作–审阅与...

未引用参考文献
Borg等人，2023年；Graham等人，2021年；Leray和Knowlton，2015年；Miya等人，2020年；Pollard等人，2018年；Spanò等人，2013年；Spanò和De Domenico，2017年；Tolon和G?k?ek ?zcan，2025年。

利益冲突
作者声明没有已知的利益冲突。

数据可访问性声明
原始测序读段和样本元数据存储在NCBI的BioProject访问号PRJNA1391039下；BioSample访问号为SAMN54278473 - SAMN54278553。

资助
这项工作由比萨大学（意大利）的Fondi di Ateneo（FA）资助。

利益声明
? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
我们感谢G. Bacci大学间海洋生物学与应用生态学中心（莱戈诺尔，意大利）的所有工作人员在所有实验室实验中的宝贵帮助。