《Diversity and Distributions》：Environmental DNA Reveals Distinct Regions of Extraordinary Marine Biodiversity to Inform a Newly Established Marine Park—Exmouth Gulf, Western Australia
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摘要
目的
西澳大利亚的埃克斯茅斯湾是全球许多海洋巨型动物物种的重要庇护所。近期埃克斯茅斯湾海洋公园的设立凸显了其环境、社会和文化意义，但该区域仍存在相互竞争的利益诉求。为减轻对这一研究不足但高度重要的海洋生物区域的影响，急需开展广尺度生物多样性监测，以服务
摘要
目的
西澳大利亚的埃克斯茅斯湾是全球许多海洋巨型动物物种的重要庇护所。近期埃克斯茅斯湾海洋公园的设立凸显了其环境、社会和文化意义，但该区域仍存在相互竞争的利益诉求。为减轻对这一研究不足但高度重要的海洋生物区域的影响，急需开展广尺度生物多样性监测，以服务于海洋公园分区、管理及其环境资产的未来保护。
位置
西澳大利亚（WA）埃克斯茅斯湾。
方法
本研究将四种宏条形码检测方法应用于从埃克斯茅斯湾四个主要区域的19个位点采集的表层海水环境DNA（eDNA）样本，靶向线粒体基因16S（Fish16S）、CO1（CO1-elasmo）和12S（MiFish-U/E），覆盖面积达3000 km2。
结果
共鉴定出487个独特分类单元，包括440种硬骨鱼、37种软骨鱼、7种鸟类、2种哺乳动物和1种爬行动物。埃克斯茅斯湾西部、中部、南部和东部区域之间的群落组成存在显著差异，这种差异主要由硬骨鱼类群落驱动，尽管硬骨鱼类的丰富度和多样性并无显著变化。东部湾的软骨鱼类和跨类群受威胁物种（IUCN红色名录）丰富度最高，其中Tent Island的软骨鱼类最丰富，Urala Creek的受威胁物种最多。全球极危（CR；IUCN红色名录）物种在全部四个区域均有检出，且四种极危物种中有三种在东部湾被检测到。
主要结论
这表明埃克斯茅斯湾整体为受威胁物种提供了关键栖息地，具有卓越的保护价值，并再次确认了该生物区域的全球生态重要性。东部湾和Urala Creek的显著地位也凸显了eDNA方法如何用于识别细尺度上保护重要性最高的区域，从而更好地为海洋空间规划提供信息。
论文解读：环境DNA宏条形码揭示埃克斯茅斯湾海洋生物多样性空间格局及其保护意义
一、研究背景、问题与研究意义
全球海洋生态系统正面临海表温度升高、海洋酸化、污染、过度捕捞和海岸开发等多重协同压力的威胁，导致生物多样性显著丧失、食物网动态被破坏、物种分布和群落组成发生改变。有效的保护管理策略依赖于生态系统层面的物种分布和栖息地利用信息，尤其是对广布物种而言，识别具有重要物种或高物种丰富度的区域有助于划定高保护和管理优先区域，为海洋保护区（MPA，即海洋公园）的建立提供科学依据。
传统的海洋动物监测方法如断面调查或遥控深水视频（BRUV）常依赖适宜的海况条件，且可能遗漏隐存种或低丰度类群，降低了检测灵敏度。环境DNA（eDNA）宏条形码技术通过从海水等环境样本中提取生物体脱落的痕量DNA，并结合高通量测序同时对多个物种的同一DNA条形码进行扩增测序，具有高分类覆盖率、非侵入性检测稀有或隐存物种、单样本即可提供群落水平信息等优势，已成为高效的生物多样性监测工具。
埃克斯茅斯湾位于西澳大利亚加斯科因和皮尔巴拉生物区交界处，是多种全球重要海洋脊椎动物的庇护所。该海湾以隐蔽、天然浑浊的水体为特征，支撑着从软骨鱼类（鲨鱼和鳐）、硬骨鱼类、海鸟/岸鸟、海洋哺乳动物到爬行动物的多样性物种，其中许多被国际自然保护联盟（IUCN）红色名录列为易危或受威胁物种。尽管该区域自2021年起被积极考虑设立海洋公园，东部和南部区域因其极危物种的存在而被强调具有保护和管理重要性，但此前尚无涵盖海洋公园边界内全部四个区域的广尺度海洋脊椎动物生物多样性监测评估。
本研究旨在通过eDNA宏条形码技术，首次对埃克斯茅斯湾海洋公园范围内的海洋脊椎动物多样性进行全区域评估，识别受威胁物种的关键栖息地利用区域，为未来的保护、管理和政策制定提供依据。
二、研究关键技术与方法
研究人员于2024年4月初在埃克斯茅斯湾生物区域的四个区域（西部、南部、东部和中部湾）共19个位点采集表层水样，覆盖浑浊珊瑚礁（5个位点）、珊瑚-藻浅滩（5个位点）、红树林（4个位点）、沙/裸底（4个位点）和海草/大藻床（1个位点）等栖息地类型。每个位点采集4份2 L表层水样，经0.45 μm混合纤维素酯滤膜过滤后提取DNA。研究采用四种线粒体宏条形码引物组合：靶向硬骨鱼16S rRNA基因的Fish16S、靶向软骨鱼CO1基因的CO1-Elasmo、靶向硬骨鱼12S rRNA基因的MiFish-U以及靶向软骨鱼12S rRNA基因的MiFish-E2。扩增产物在Illumina NextSeq 2000平台进行150 bp双端测序，每样本每检测约20万条reads。生物信息学分析使用DADA2流程生成扩增子序列变异（ASV），通过BLASTN比对自定义海洋脊椎动物线粒体参考数据库，并进行最低共同祖先（LCA）分析确定分类单元。为排除污染，对野外空白、提取空白和PCR无模板对照（NTC）中检出的ASV进行扣除或比例过滤。统计分析采用PERMANOVA检验区域间群落差异，DistLM评估区域、空间和环境因素的贡献，SIMPER分析识别驱动群落变化的属。
三、研究结果
3.1 eDNA测序结果
共获得33,374,881条原始测序读长，经质量控制后保留10,561,414条读长，对应28,622个ASV。经污染过滤后，CO1-Elasmo、16SFish、MiFish-E和MiFish-U四种检测分别获得355,054、3,977,904、3,139,993和3,088,463条读长，共产生487个独特分类单元的鉴定结果。
3.2 eDNA揭示的埃克斯茅斯湾生物多样性
四种宏条形码检测共恢复全部5纲海洋脊椎动物类群，总计487个独特分类单元。MiFish-E2检出分类单元数量最多（324个），其次为MiFish-U（322个）、Fish16S（240个）和CO1-elasmo（76个）。各检测均有独有物种检出，同时有15个物种和31个分类单元被全部四种检测共同检出。
3.2.1 软骨鱼类（鲨鱼和鳐）
共检出37个软骨鱼分类单元，隶属4目16科27个物种级鉴定。Myliobatiformes（鳐类；15个分类单元）物种数最多，以Dasyatidae科为主；Carcharhiniformes（真鲨类；12个分类单元）次之。东部湾软骨鱼分类单元数最高（27个），Tent Island软骨鱼丰富度最高（20个）。最常检出的物种为褐斑竹鲨（Chiloscyllium punctatum；10个位点）、纳氏鹞鲼（Aetobatus narinari；9个位点）和黑鳍礁鲨（Carcharhinus melanopterus；8个位点）。虎鲨（Galeocerdo cuvier）、大锤头鲨（Sphyrna mokarran）和印度豹鲨（Stegostoma tigrinum）等6个分类单元仅在单一站点检出。
3.2.2 硬骨鱼类
共恢复440个硬骨鱼分类单元，涵盖39目101科298个物种级鉴定。MiFish-U检出多样性最高（38目318个分类单元）。Eupercaria/misc.目分类单元数最多（75个），Gobiiformes（55个）和Acanthuriformes（37个）次之。各区域硬骨鱼分类单元数相对一致（南部湾206个至西部湾268个），但位点间差异较大（Bennett Shoal 71个至Somerville Island 161个）。12个目在所有位点均有检出，4个目仅从单一站点检出。
3.2.3 其他脊椎动物类群（爬行动物、哺乳动物和海鸟/岸鸟）
绿海龟（Chelonia mydas）是唯一检出的爬行动物。两种海洋哺乳动物被检出：儒艮（Dugong dugon）鉴定至种级，海豚科（Delphinidae）仅鉴定至科级。7种鸟类分类单元被检出，其中斑尾塍鹬（Limosa lapponica）和白嘴端燕鸥（Onychoprion anaethetus）是已知分布于埃克斯茅斯湾地区的物种。
3.3 湾内群落组成差异
PERMANOVA分析显示埃克斯茅斯湾四个区域间及区域内群落组成均存在显著差异（p < 0.001）。DistLM分析表明区域因素独立解释18.8%的群落变异（p = 0.0015），高于空间变量（经纬度22.1%）和站点深度（16.4%）单独解释的比例。SIMPER分析显示，西部湾以鳀属（Encrasicholina；46%）和沙丁鱼属（Sardinella；31%）为主导，中部湾以篮子鱼属（Siganus；19%）、蓝猪齿鱼属（Choerodon；16%）和裸颊鲷属（Lethrinus；13%）为主，东部湾由沙鮻属（Sillago；21%）、锥齿鲷属（Pentapodus；10%）、篮子鱼属（9%）和银鲈属（Gerres；7%）驱动，南部湾则由银鲈属（33%）、似?属（Nematalosa；15%）和沙鮻属（14%）主导。尽管各区域总α多样性无显著差异，东部湾软骨鱼丰富度持续较高，西部湾则明显较低。
3.4 受威胁物种
共检出16个被IUCN红色名录列为全球受威胁类别的分类单元，包括4个极危（CR）物种（均为软骨鱼）、4个濒危（EN）物种（均为软骨鱼）和8个易危（VU）物种。极危物种中，大锤头鲨仅在Bay of Rest检出，绿锯鳐（Pristis zijsron）在Urala Creek和Tent Island检出，小齿锯鳐（Pristis pristis）在Eva Island和Islam Islets检出，巨犁头鳐（Glaucostegus typus）在两个南部位点和两个东部位点检出。此外，4种濒危软骨鱼和5种易危软骨鱼也得到记录。绿海龟和儒艮（VU）分别在多个位点检出。东部湾检出的受威胁物种数量最多（14种），Urala Creek为受威胁物种高检出位点（10种），南部湾检出12种受威胁物种。
四、讨论与结论
埃克斯茅斯湾的不同区域维持着显著差异的群落组成，这种差异与栖息地类型密切相关。区域因素独立解释的群落变异显著，表明区域并非仅仅是空间变化的替代指标。学校性硬骨鱼类是驱动群落变化的优势类群，其分布与栖息地特征（如浑浊珊瑚礁、珊瑚-藻浅滩、红树林和泥沙底质）相对应，个别位点（如西部湾1号、Whalebone Island）因栖息地相似性与邻近区域群落更接近，这证明了eDNA方法能够识别细尺度的生物多样性差异。
从保护角度看，埃克斯茅斯湾是多种全球受威胁软骨鱼类的热点区域，特别是东部湾和南部湾的浅水近岸生境（沙/泥滩和红树林岸线）为极危物种提供了育幼场和庇护所。大锤头鲨的检出位点Bay of Rest以浅水广阔沙坪为特征，而小齿锯鳐的检出代表了埃克斯茅斯湾内的新记录。研究还识别出潜在的范围延伸物种（蓝带鹰鳐和澳大利亚牛鼻鳐），同时讨论了指纹参考库不完善导致的假阴性和假阳性问题，如部分属的分类单元被归并至科级、长吻海马可能是分类学未决问题导致的误判等，凸显了高质量参考数据库在eDNA研究中的关键作用。
本研究提供了埃克斯茅斯湾海洋公园内首个全面的海洋脊椎动物多样性基线数据。长期重复调查（如逐季多年）将为理解季节性栖息地利用、群落演替和物种分布对气候变化及人为压力的响应提供关键信息。研究证实埃克斯茅斯湾整体上为受威胁物种提供了关键栖息地，具有全球重要的生态价值，其保护价值可与相邻的世界遗产地宁格鲁礁相媲美。东部湾和Urala Creek的突出重要性也为海洋空间规划提供了细尺度的保护优先区域依据，建议未来管理措施应给予该区域与其生态重要性相称的保护力度，确保长期可持续管理。
