SAS eDNA在检测河流-河口-海岸连续体中的鱼类多样性方面与传统采样方法形成互补

《Regional Studies in Marine Science》：SAS eDNA complements traditional sampling in detecting fish diversity along river-estuarine-coastal continuum

　　

摘要：传统形态学物种鉴定（MSI）在河口生态系统中的应用仍然受到采样和检测偏差的限制，特别是在河流至海洋生态系统中的鱼类研究中。我们比较了序列分配物种环境DNA（SAS eDNA）宏条形码技术与MSI在韩国内西海全罗南道Seomjin河口和光阳湾的鱼类群落特征表征方面的应用。本研究于2022年5月和9月在六个站点进行，使用刺网和底层拖网进行MSI采样，同时采集水样，利用12S rRNA引物进行SAS eDNA分析。SAS eDNA检测到62个物种，而MSI仅检测到42个物种。其中33个物种仅通过SAS eDNA被发现，包括海马属的Hippocampus mohnikei和海鲫属的Hexagrammos agrammus，而13个物种仅由MSI检测到。SAS eDNA在淡水、半咸水和海洋生态系统中均检测到更多物种，且始终检测到更高的多样性。值得注意的是，SAS eDNA捕获了更广泛的空间分布，涵盖多种栖息地，而捕捞具的选择性则将MSI的检测限制在特定生态系统中。SAS eDNA还揭示了传统采样方法未能检测到的隐存种和空间连续性模式。虽然MSI捕获了SAS eDNA遗漏的底栖物种，但本研究确立了SAS eDNA宏条形码技术作为河口连续体中鱼类生物多样性评估的更综合工具的地位，特别是在保护规划和栖息地连通性评估方面具有重要应用价值。

引言：河口是淡水与海水环境交汇的动态过渡区，受陆地和海洋因素的共同影响（Lu等，2015）。这些生态系统通过接收来自陆地的显著营养物质负荷，支持高生产力和多样的生物群落。具体而言，河口是鱼类重要的觅食场所、育苗场、产卵场和避难所。例如，洄游性物种如大麻哈鱼（Oncorhynchus masou）和驼背大麻哈鱼（Oncorhynchus keta）在其向海洄游过程中利用河口作为育苗栖息地（Ohji等，2007；Jones等，2014），而洄游性物种如日本鳗鲡（Anguilla japonica）在返回海洋产卵前依赖河口（Hovel等，2002）。此外，营养物质输入促进水生植物生长，这些植物通过复杂的物理结构提供必要的捕食防护，并为鱼类幼体和稚鱼提供重要的育苗场所（Vasconcelos等，2011；Sheaves等，2015）。大叶藻（Zostera marina）茂密的冠层充当生物庇护所，显著提高了多种鱼类在早期生命阶段中的存活率和补充率（Bertelli和Unsworth，2014）。然而，河口的地理优势往往导致剧烈的城市和工业开发。因此，工业和生活污水向河流的排放已经使河口生态系统退化，引发了严重的环境问题（Sheaves等，2012；Le Guen等，2019）。特别是，为控制洪水和便于农业、生活和工业用水管理而修建的河口堤坝，导致废水在下游积累，干扰了淡水与海水环境之间的自然交换（Hooper和Austen，2013）。这些在河口进行的人类活动已导致鱼类多样性下降，突显了对持续监测以评估和减轻其影响的需求（Baras和Lucas，2001；Limburg和Waldman，2009）。

传统形态学物种鉴定（MSI）使用撒网或刺网，依赖于对鱼类的物理捕获，这可能会破坏水生栖息地并导致珍稀和受保护物种受伤或死亡。例如，基于渔网的采样可能导致脆弱的稚鱼和珍稀物种出现致命的鳞片脱落和呼吸窘迫，如濒危的鲟鱼或洄游性鲑鱼类，这些物种对操作应激极为敏感（Radinger等，2019；Li等，2020）。即使个体被释放，捕获后的恢复期也会增加其受到捕食和感染的脆弱性（Tessier等，2016）。因此，这些侵入性方法在监测受保护河口区域的生物多样性时提出了重大的伦理和保护挑战。虽然诱饵远程水下视频（BRUV）提供了一种非侵入性替代方案，但它往往对肉食性物种存在偏向（Murphy和Jenkins，2010；Cole等，2022）。为解决这些局限性，环境DNA（eDNA）已成为一种强大的非侵入性工具（Nakagawa等，2018；Wang等，2024）。eDNA被定义为生物体通过多种生物残留物——包括黏液、皮肤细胞和粪便——释放到其周围环境（如水、沉积物或空气）中的基因组DNA的复杂混合物（Taberlet等，2012）。通过采样这些环境介质并提取整合的遗传物质，eDNA宏条形码技术允许对整个生物群落进行战略性靶向研究，而无需直接捕获或分离个体生物体（Lydolph等，2005；Haile等，2009；Taberlet等，2012）。这种方法彻底改变了生物多样性监测，使得能够对广泛的分类学范围进行非侵入性分析，从检测特定的微生物病原体到追踪洄游鱼类等大型脊椎动物（Thomsen等，2016）。近期的应用研究一致表明，eDNA对珍稀或隐存物种具有更优的检测灵敏度，反映了水生生态系统中当代和历史生物多样性格局（Keskin等，2016；Nester等，2020）。

在本研究中，为确保对这些群落的代表性且可比较的特征表征，eDNA水样与物理鱼类采样（MSI）在水柱中同一深度采集。这种同步采样方法允许直接比较两种方法的鉴定能力，同时最大限度地减少栖息地干扰。因此，eDNA越来越多地被采纳为传统形态学物种鉴定（MSI）的有力补充方法。例如，eDNA宏条形码技术已成功应用于评估河口环境中的鱼类群落，揭示了传统方法可能忽略的物种分布和多样性模式（Polanco Fernández等，2021；Alenzi，2024）。比较研究进一步突出了eDNA在复杂过渡生态系统中的优势，展示了更高的检测率和更优的分类学分辨率（Thomsen等，2016）。此外，一项在三个法国湖泊（Aiguebelette湖、Serre-Pon?on湖和Etang des Aulnes）的研究比较了使用刺网样本和eDNA序列分配物种（SAS）分析鉴定的鱼类群落（Hervé等，2022）。SAS eDNA方法返回了比刺网更高的鱼类物种多样性，并提供了关于空间分布模式的有价值见解，包括与深度相关的变化。SAS eDNA还成功检测到了难以用刺网捕获的物种，如Gambusia holbrooki、Pseudorasbora parva和Salaria fluviatilis。

韩国的Seomjin河口是一个没有河口大坝的天然河口，因此淡水与海水之间存在持续交换。Seomjin河口流入光阳湾，这是一个半封闭型沿海海湾。这个河口-海岸连续体作为重要的产卵和育苗场所发挥着作用（Lotze等，2006；Canfield等，2010；Kang等，2020）。这一动态栖息地支持着多样的半咸水物种群落，包括淡水鱼和海水鱼（Baek等，2013；Lee等，2022；Kim等，2023）。Seomjin河还是一个保存良好的天然栖息地，维持着洄游性物种Plecoglossus altivelis（大马鲚）和特有种Acheilognathus somjinensis（西河鳉）的大种群（Ohji等，2007）。Acheilognathus somjinensis被韩国《野生动植物保护和管理法》指定为一级濒危物种，该类别专门用于因种群显著减少而面临高灭绝风险的物种（环境部，2012）。此外，该物种在国际上也被认可，并被列入IUCN红色名录的濒危（EN）等级（IUCN，2024）。这些分类突显了该物种在Seomjin河系统中的关键保护地位。尽管其重要性，但将两个系统整合在考虑环境梯度的统一监测框架内的研究仍然有限（Huh等，2012；Kwak等，2012；Kim等，2012）。

本研究的主要目标是评估eDNA宏条形码技术在反映Seomjin河口-光阳湾河口-海岸连续体中鱼类群落空间转换方面的适用性和优势。与以往专注于简单生物多样性清单的研究不同，我们旨在评估eDNA如何克服传统采样在动态环境中的固有局限性。具体而言，本研究旨在：（1）比较MSI和eDNA的物种水平鉴定能力，特别关注分类学复杂且形态相似的类群，这些类群在传统调查中往往被低估。除简单鉴定外，分析物种组成至关重要，因为它反映了河口生态系统的功能完整性和健康状况，其中群落组装的变化是环境变化和人为压力的敏感指标（Karr，1981；Poikane等，2017）。（2）验证eDNA在鉴定栖息地特有种或隐匿种方面的有效性，这些物种栖息于传统捕捞具无法有效工作的复杂微栖息地中。（3）考察eDNA作为盐度梯度上的时空整合器的能力，与MSI提供的"快照"相比，更全面地理解鱼类群落如何穿越河口-海岸走廊。通过解决这些目标，我们提供了一个将分子工具整合到动态、无障碍河口生态系统的综合管理和保护中的稳健框架。

研究片段

研究地点和采样方法

根据Seomjin河口的动力学和形态学特征，可将其描述为部分混合的中潮差河口（Kim等，2024）。该河口受半日潮影响，潮差约为2-4米，由于没有河口大坝，淡水和海水之间可进行自然的双向交换（Lee等，2018）。我们研究期间测得的盐度从上游的淡水条件（0.1 psu）到——

研究站点水体的理化特性

Seomjin河口的水温（19.4-25.9°C）普遍高于光阳湾（16.0-24.2°C）（表1），而9月的水温（23.8-25.9°C）也高于5月（16.0-20.5°C）。最低水温出现在5月的GW3站点（16.8°C），最高水温记录在9月的SJ1站点（25.9°C）。盐度从Seomjin河口上游站点向光阳湾沿岸站点逐渐增加，反映了典型的河口——

方法学表现和栖息地特异性类群的鉴定

MSI耗时且劳动密集，使得大规模生物多样性评估效率低下且成本高昂（Wheeler等，2004；Portt等，2006；Oliveira等，2014）。例如，刺网需要24小时以上的布放时间才能回收，而虾底拖网则需要能够进行围网捕捞的船只（Oliveira等，2014；J?rgensen等，2009；Lee等，2009）。相比之下，eDNA采样是一种非侵入性技术，通过鉴定鱼类——

结论

总之，本研究证明eDNA宏条形码技术是监测Seomjin河口-光阳湾连续体中鱼类群落的高效且灵敏的工具。与MSI相比，eDNA以显著更少的努力检测到了更广泛的物种范围，成功识别了隐存种和栖息地限制性类群（如Hippocampus mohnikei），并为虾虎鱼科等复杂类群提供了更优的分类学分辨率。关键的是，eDNA被证明是一种强大的时空——

CRediT作者贡献声明

Tae-Sik Yu：写作—审稿与编辑，写作—原稿撰写，数据整理，概念构思。Gun Hee Oh：写作—原稿撰写，可视化，形式化分析。Ihn-Sil Kwak：写作—审稿与编辑，监督指导，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由韩国国家研究基金会（NRF）资助，项目编号NRF-2018R1A6A1A03024314。

利益冲突声明

作者声明他们没有竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

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