多年eDNA宏条形码揭示禁渔背景下长江干流江苏段鱼类群落动态

《Diversity》：Multi-Year eDNA Metabarcoding Reveals Fish Community Dynamics in the Jiangsu Section of the Yangtze River Mainstem Under the Fishing Ban

　　

环境DNA（eDNA）宏条形码是一种高效、非侵入性的方法，适用于调查大江大河等复杂栖息地中的鱼类多样性。本研究于2022年至2024年期间，在长江干流江苏段开展了连续的eDNA监测，以表征禁渔期间鱼类群落组成和多样性的时空变化。为提高物种鉴定准确性，研究人员构建了区域12S rRNA条形码数据库，包含141种鱼类和1204条序列。遗传距离分析揭示了清晰的条形码间隙（barcode gap），种间和种内遗传距离分别为0.232和0.007，且65.96%的物种在系统发育树中形成了支持良好的单系分支，表明该数据库对许多所包含的分类群具有有效的分类分辨率。利用该区域参考数据库，基于eDNA的监测在三年内共检测到131种鱼类，其中72.52%的物种在三年中均有出现。鲤形目（Cypriniformes）持续占据优势地位（54.92%–67.16%），其相对丰度呈现先升后降的趋势，优势物种逐年变化。Alpha多样性分析显示，Chao1丰富度指数从83.33显著下降至36.75，而Shannon多样性指数从2.69略微下降至2.43。相比之下，Pielou_J均匀度指数从0.62上升至0.68，表明群落趋向于较低丰富度但更均匀的丰度分布。这些模式可能反映了研究期间多种环境和人为因素的共同影响。在空间上，泰—通河段的alpha多样性显著低于宁—镇和镇—泰河段（p < 0.05），且2022年和2024年该河段的群落组成与上游河段明显分离。然而，2023年各河段之间的差异消失，表明空间分化的年际变化，这可能与水流驱动的混合和输运有关。总体而言，本研究揭示了长江干流江苏段多年级鱼类群落动态，并证明区域条形码数据库与eDNA宏条形码相结合，为大江大河鱼类监测和生物多样性评估提供了一种有效方法。

长江干流江苏段是长江下游典型的淡水—咸水交互区，也是水生生物多样性保护的关键区域。近年来，大坝建设、水污染、航道整治和岸线硬化等人类活动严重威胁该流域鱼类多样性。为遏制渔业资源衰退，中国自2020年起在长江流域水生生物保护区实施全面禁渔，并于2021年启动十年禁渔。但禁渔效果受到栖息地连通性、非法捕捞和流域综合管理等因素影响，亟需高效、可持续的鱼类资源监测手段。传统网具调查等依赖形态学鉴定，存在侵入性强、灵敏度有限等不足。环境DNA（eDNA）宏条形码（metabarcoding）具有非侵入、扰动小、灵敏度高等优势，但其准确性高度依赖参考数据库的完整性和区域覆盖度。当前公共数据库存在序列质量不均、区域物种覆盖不足等问题，可能导致假阳性和假阴性。此前针对长江干流江苏段的eDNA研究多为局部河段或单一年份，缺乏系统、多年度的监测。为此，研究人员在该河段构建区域12S rRNA参考数据库，并开展2022—2024年连续三年eDNA监测，系统解析禁渔期间鱼类群落组成和多样性动态，为流域尺度鱼类资源监测和生态管理提供科学依据。该研究发表于《Diversity》。

在技术方法上，研究人员在长江干流江苏段设置18个eDNA采样断面（JS1–JS18），于2022年12月、2023年10月和2024年10月低流量期采集表层水样，每断面左、右岸及中泓等量混合后过滤保存。基于《长江鱼类志》及2017—2021年长期网捕调查资料，构建了包含141种鱼类、1204条序列的区域12S rRNA条形码数据库。使用Tele02引物扩增，经Illumina MiSeq双端测序，用dada2去噪并按97%相似度聚类为操作分类单元（OTU），以本地数据库和0.80置信阈值进行注释。统计分析采用K2P遗传距离、NJ系统发育树、Chao1、Shannon和Pielou_J指数，以及Friedman检验、Kruskal–Wallis检验、主坐标分析（PCoA）和置换多元方差分析（PERMANOVA）等。

### 条形码参考数据库的构建与评估

研究人员构建的数据库覆盖19目36科96属。K2P遗传距离分析显示，平均种内距离为0.007，种间距离为0.232，二者差异显著，并存在明确的条形码间隙。系统发育树中，65.96%的物种（93/141）形成bootstrap支持率≥95的单系分支，说明该12S rRNA标记对多数鱼类具有良好分类分辨率。进一步分析Tele02靶区发现，13对近缘种共享至少一个相同单倍型，提示这些类群的物种级区分能力存在局限。

### 基于eDNA的鱼类物种组成与群落结构

三年eDNA监测共检出131种鱼类，其中95种（72.52%）在三年中稳定出现。2022年检出119种，2023年114种，2024年117种。目水平上，鲤形目（Cypriniformes）在三年中均为优势类群，相对序列丰度从2022年的55.31%升至2023年的67.16%，再降至2024年的54.92%；2024年鲇形目（Siluriformes）和鲈形目（Perciformes）贡献上升。高序列贡献物种中，2022年以草鱼（Ctenopharyngodon idella）、团头鲂（Megalobrama amblycephala）和鲤（Cyprinus carpio）为主；2023年以银鮈（Squalidus argentatus）、吻鰕虎鱼（Rhinogobius cliffordpopei）和鳙（Hypophthalmichthys nobilis）为主；2024年吻鰕虎鱼、草鱼和鲤相对贡献最高。这表明物种组成相对稳定，但优势度和相对丰度存在明显年际动态。

### 鱼类多样性的时空格局

Alpha多样性方面，Chao1丰富度指数从2022年的83.33显著下降至2023年的36.96和2024年的36.75（p < 0.001），而2023与2024年间无显著差异。Shannon指数由2.69降至2.43，但年际差异不显著。Pielou_J均匀度从2022年的0.62升至2023年的0.73，再降至2024年的0.68，年际差异显著（p < 0.01）。空间上，宁—镇和镇—泰河段的alpha多样性显著高于泰—通河段（p < 0.001），而前两者间无显著差异。基于Bray–Curtis距离的PCoA显示，2022年和2024年泰—通河段与上游河段明显分离，PERMANOVA证实存在显著空间差异（R² = 0.27672，p = 0.001；R² = 0.21915，p = 0.009）；而2023年三个河段样本高度重叠，未检测到显著空间差异（R² = 0.14789，p = 0.151）。PERMDISP分析表明各年份组内离散度无显著差异，满足PERMANOVA假设。

讨论部分指出，区域参考数据库能减少非区域物种导致的假阳性，但无法覆盖所有实际出现物种，需结合传统调查持续更新。鱼类群落在物种层面积对稳定，但优势种更替和相对丰度变化可能反映水文条件、栖息地变化和种间互作的影响。2022年极端低流量事件可能降低物种丰富度，而2023年径流偏高加剧了水流混合与输运，模糊了河段间空间边界；2022年和2024年径流偏低则使空间分化更明显。潮汐相位与空间格局无一致对应关系，径流变化是更可能的驱动因素。

研究结论可翻译为：本研究构建了长江干流江苏段鱼类eDNA监测的区域12S rRNA条形码参考数据库，并利用eDNA宏条形码表征了禁渔期间鱼类多样性和时空群落动态。该本地化数据库改善了对鱼类eDNA序列的分类注释，为长江下游生物多样性监测提供了基础。共检测到131种鱼类，包括113种本地种，占历史记录区系的87.60%；其中95种在三年中持续被检出，表明区域物种库相对完整和稳定。然而，主要类群的相对eDNA序列丰度和高序列贡献类群的组成在年间存在变化，表明鱼类群落具有稳定的物种库但持续内部重组。Alpha多样性和PCoA进一步揭示了群落多样性和空间分化的年际变化，这可能与极端低流量条件和径流变化有关。总体而言，eDNA宏条形码有效揭示了大河系统中鱼类群落组成和动态，为禁渔期间鱼类保护、生物多样性评估和长期生态监测提供了科学支持。