《Marine Biodiversity》：The unknown known: coastal brackish-water invertebrate diversity of Gotland, central Baltic Sea
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无脊椎动物是沿岸生态系统的关键组成部分，然而由于方法学上的限制，其在波罗的海中的多样性和分布通常仍未得到充分解析。本研究采用18S rRNA基因的环境DNA（eDNA）宏条形码技术，对2021年夏季在瑞典哥特兰岛周围三个沿岸位点采集的九个水样（深度<0.5 m
无脊椎动物是沿岸生态系统的关键组成部分，然而由于方法学上的限制，其在波罗的海中的多样性和分布通常仍未得到充分解析。本研究采用18S rRNA基因的环境DNA（eDNA）宏条形码技术，对2021年夏季在瑞典哥特兰岛周围三个沿岸位点采集的九个水样（深度<0.5 m）中的无脊椎动物群落进行了表征。测序获得506,424条高质量序列读数，代表八个门中的42个无脊椎动物分类单元。节肢动物门（Arthropoda）在分类单元丰富度和序列丰度上均占优势，其中桡足类Acartia (Acanthacartia) tonsa在几乎所有样本中均被检测到。Alpha多样性指标显示丰富度较低至中等（每样本8–18个分类单元），各采样位点之间存在一定的空间分化。基于Jaccard相异系数的主坐标分析（PCoA）解释了57.5%的变异；PERMANOVA揭示各采样位点间群落组成存在显著差异。大多数已鉴定的分类单元为终生浮游动物（holoplanktonic，57.5%）。底栖动物（22.5%）和阶段性浮游动物（meroplanktonic，20.0%）物种也被检测到，证明亚表层eDNA采样能够在浅水（<5 m）环境中同时捕获浮游和底栖群落。基于文献和开放获取数据库信息对哥特兰岛与盐度更高的丹麦菲英岛（Funen）之间的门级多样性比较显示，哥特兰岛周围的丰富度较低（15个门对比18个门），这可能反映了环境梯度和研究强度的双重影响。本研究提供了首个基于eDNA的哥特兰岛海洋无脊椎动物名录，并强调了分子工具在将无脊椎动物多样性整合到波罗的海生物多样性评估和 essential ocean variables（EOVs）监测中的潜力。
**论文解读：波罗的海中部哥特兰岛沿岸半咸水无脊椎动物多样性的eDNA宏条形码研究**
**一、研究背景与科学问题**
无脊椎动物是水生生态系统的核心组成部分，在养分循环、食物网动态和能量传递中发挥关键作用。底栖无脊椎动物参与沉积物生物扰动和有机质分解，而浮游动物则连接初级生产者与更高营养级消费者。由于这些生物对其栖息地物理化学变化的高度敏感性，它们被视为环境状况的重要指示生物。然而，在波罗的海这一半咸水、物种相对贫乏但对人为压力（如富营养化、缺氧和入侵物种）尤为脆弱的生态系统中，无脊椎动物的多样性和分布长期未能得到充分解析。传统采样方法，如底栖生物抓斗采样和浮游生物网拖网，在物种鉴定方面面临诸多挑战，常低估隐存种、软体、分布斑块化、活动性强或小型分类单元，难以提供群落整体视图。此外，沿岸环境动态的物理条件（如盐度波动、波浪暴露和沉积物输运）为标准化采样带来了额外困难。
在这一背景下，环境DNA（eDNA）分析作为一种新兴的生物多样性监测工具应运而生。通过分离生物体脱落到环境中的遗传物质，eDNA能够从单份水样中检测多个分类单元，特别适用于传统物理采样受限的偏远或多变环境。在沿岸海洋环境中，eDNA能够捕获来自浮游和底栖群落的双重信号，提供生态系统生物多样性的更全面表征。将eDNA纳入基于essential ocean variables（EOVs）框架的区域监测计划，可标准化生物多样性评估，并遵循FAIR（可发现、可访问、可互操作、可重用）原则为全球数据库作出贡献。
波罗的海中部，特别是哥特兰岛周围的沿岸水域，代表了这一压力胁迫生态系统中关键但研究不足的栖息地。该区域具有独特的海洋水文特征，如强烈的盐度梯度、季节性缺氧以及与北海有限的水体和物种交换，形成了天然低但高度适应的生物多样性。哥特兰岛沿岸作为半咸水和陆源环境之间的过渡带，为适应狭窄生态位和处于生理耐受极限的无脊椎动物提供了重要栖息地。然而，由于历史上的采样不足和方法学限制，哥特兰岛水域的无脊椎动物群落特征仍未得到充分刻画。该研究旨在利用成熟的eDNA标记、测序和生物信息学流程，描述哥特兰岛沿岸地区无脊椎动物群落（底栖动物和浮游动物）的多样性和分布，并探讨亚表层水样是否能够捕获阶段性浮游和底栖生物的信号。为进行背景对照和识别知识空白，研究人员还将哥特兰岛（现有和历史上的研究）的门类存在情况与具有相似面积、海岸线长度和地形的丹麦菲英岛进行了比较。
**二、主要技术方法**
本研究于2021年夏季（7月至9月）在瑞典哥特兰岛西北和东北海岸的三个位点（Kappelshamnsviken、Lergrav和Valleviken）采集水样。每位点采集三份亚表层（<0.5 m深度）水样，每份5升。现场测量温度、盐度和溶解氧浓度，随后每份水样取500 mL经0.45 μm孔径滤膜过滤，滤膜冷冻保存后送NatureMetrics Ltd.（英国）进行测序分析。DNA提取采用商业试剂盒并改良以提高产量，经纯化后通过PCR扩增18S rRNA基因的V4-V5区域，在Illumina MiSeq平台测序。序列数据经过自定义生物信息学流程进行质量控制、操作分类单元（OTU）聚类和分类学比对，参考数据库包括NCBI nt和SILVA 18S（v138.1）。数据分析使用R软件，包括alpha多样性指标、基于Jaccard相异系数的主坐标分析（PCoA）、置换多元方差分析（PERMANOVA）和基于距离的冗余分析（dbRDA）。此外，研究人员检索了Web of Science、Google Scholar、灰色文献以及GBIF、iNaturalist?、OBIS和SHARK等开放数据库，以比较哥特兰岛和菲英岛的门级多样性。
**三、研究结果**
**哥特兰岛周围的环境状况**
在2021年7月27日至9月8日的eDNA采样期间，亚表层（<0.5 m）水温变化较大，平均14.0 °C（±2.2 °C 标准差，范围12.1–19.7 °C，N=9）。相比之下，亚表层盐度变化较小（5.8 ± 1.0，范围4.2–6.7，N=9）。溶解氧（DO）浓度范围为7.6至10.7 mg L?1（9.3 ± 1.0 mg L?1，N=9）。
**哥特兰岛沿岸无脊椎动物群落的alpha和beta多样性**
九个eDNA样本共检测到42个海洋无脊椎动物分类单元，涵盖动物界8个门、14个纲和22个目。节肢动物门是OTU比例最高的门，而序列读数比例最高的OTU来自海洋桡足类Acartia (Acanthacartia) tonsa Dana, 1849–1852，该OTU在九个样本中的八个被检测到。平均分类单元丰富度为13，范围从8（#K3）到18（#V1），整体较低。Kappelshamnsviken的两个样本（#K2和#K3）分类单元丰富度显著偏低，且含有最高数量的Eurytemora spp. Giesbrecht, 1881 OTU。
基于Jaccard相异系数的PCoA中，轴1和轴2解释了57.5%的组成变异。Kappelshamnsviken的样本在排序图中与其他位点的样本视觉上分离，且其样本间聚类更紧密。PERMANOVA显示各位点间质心位置存在显著差异（F=2.810，P=0.021），但离散度差异不显著（F=0.675，P=0.529）。dbRDA显示群落组成与环境变量（温度、盐度和溶解氧浓度）之间存在总体显著关系（F=1.788，P=0.033）；顺序置换检验表明温度是唯一显著的变量（F=2.215，P=0.041）。在鉴定的分类单元中，大多数为终生浮游动物（57.5%），如哲水蚤目和剑水蚤目桡足类或轮虫；底栖和阶段性浮游动物比例相近（分别为22.5%和20.0%），如 hydrobiid 螺类，表明亚表层eDNA采样能够捕获浅水（底部深度<5 m）沿岸水域中水和底栖无脊椎动物群落信号。
**现有和过去研究对比及岛屿间比较**
对文献和开放数据库的检索显示，哥特兰岛周围历史上已记载15个门（如计入仅分布于淡水的门类则为17个）。本eDNA研究检测到8个门（环节动物门、节肢动物门、刺胞动物门、腹毛动物门、软体动物门、线虫动物门、扁形动物门和轮虫动物门），仅占已记载门类的一半。在动物界34个已描述门中，丹麦菲英岛半咸水沿岸区域存在18个门，超过哥特兰岛记载的15个门（含淡水类群则为17个）。虽然两岛在多个门类（环节动物门、节肢动物门、脊索动物门（主要为脊椎动物）、刺胞动物门、栉水母门、软体动物门）的物种数和研究关注度方面覆盖良好，但部分门类（如棘皮动物门、多孔动物门）仅在菲英岛有研究记录。此外，许多门类仅在开放数据库中有记录（如腹毛动物门、半索动物门、帚虫动物门、扁形动物门），缺乏区域性同行评审文献的支持。因此，与盐度更高的菲英岛相比，哥特兰岛当代海洋动物群中可确认缺失的门类仅限于棘皮动物门、半索动物门、帚虫动物门和多孔动物门。
**四、讨论与结论**
本研究提供了首个公开可获取的基于eDNA的哥特兰岛沿岸无脊椎动物群落调查。研究发现，虽然与完全海相系统相比，检测到的整体丰富度从低到中等，但eDNA宏条形码技术能够有效检测浅水波罗的海环境中跨越多种生活史策略的广泛分类单元，证实了亚表层水样eDNA分析可在精细空间尺度上解析浮游和底栖生物多样性的组成部分。研究人员强调，eDNA整合了浅水沿岸生态系统多个生态位室的生物多样性信号，甚至短寿命或早期生命阶段（如阶段性浮游幼虫）也能留下可检测的遗传痕迹。空间格局方面，三个位点间的alpha和beta多样性未显示显著的空间结构化，仅温度作为显著的环境驱动因子，这可能反映了夏季该区域相对均质的水文特征以及未测量的环境变量（如栖息地复杂性、初级生产力或细尺度水动力）的影响。对于传统采样中可能被低估的底栖和阶段性浮游类群的检测，eDNA展现出独特优势，但研究人员也指出底栖生物DNA可能来源于幼虫阶段、沉积物再悬浮或二次运输，建议未来研究结合水柱和沉积物采样以更好区分信号来源。在岛屿间比较中，菲英岛与哥特兰岛的门级多样性差异与波罗的海强烈的盐度梯度一致，较低的盐度施加生理限制，从而限制了若干海洋门的定殖，但棘皮动物和多孔动物在哥特兰岛的化石记录表明史前群落曾更为丰富。最后，研究人员建议未来研究应纳入基于功能性状的评估、扩大时空采样范围、采用多标记宏条形码策略，并将eDNA信号与生物量或丰度测量进行校准，以推进波罗的海生物多样性监测和essential ocean variables（EOVs）的业务化运行。
**结论翻译：**
我们的研究表明，利用亚表层水样的环境DNA（eDNA）宏条形码技术能够捕获波罗的海浅水沿岸区域多样化的无脊椎动物群落，并为扩展哥特兰岛周围的生物多样性监测提供了有前景的途径。尽管分类学丰富度有限且环境变量对观测变异的解释力较低，但跨多个门类和生命史策略的分类单元的检测凸显了eDNA的整合性。该方法补充了现有的监测框架，有助于填补欧洲最脆弱海区之一长期存在的数据覆盖空白。通过扩大采样力度、整合功能性状以及采用多标记策略，eDNA可在未来波罗的海生物多样性评估和无脊椎动物（底栖动物和浮游动物）群落的essential ocean variables（EOVs）业务化运行中发挥核心作用，并遵循FAIR（可发现、可访问、可互操作、可重用）原则。在此之前，哥特兰岛沿岸半咸水无脊椎动物多样性仍是已知的未知。
