佛罗里达西南部幼年伊氏石斑鱼（Epinephelus itajara）摄食生态的粪便宏条形码研究

《Ecologies》：Feeding Ecology of Juvenile Goliath Grouper (Epinephelus itajara) in Southwest Florida Using Fecal Metabarcoding

　　

中文摘要翻译 大西洋伊氏石斑鱼（Epinephelus itajara）在20世纪下半叶经历了严重的种群衰退，促使美国于1990年实施捕捞禁令。尽管该物种种群恢复程度仍存在不确定性，部分渔民声称伊氏石斑鱼对商业和休闲渔业造成负面影响，并主张重新开放该渔业。为评估上述主张，本研究采用环境DNA（eDNA）宏条形码技术，调查了佛罗里达西南部幼年伊氏石斑鱼的摄食生态。研究人员对31尾幼年伊氏石斑鱼的粪便样本进行了测序，共鉴定出隶属于3纲、8目、15科的18个猎物分类单元。值得注意的是，其中3个猎物分类单元具有商业价值——大西洋蓝蟹（Callinectes sapidus）、南方粉红对虾（Farfantepenaeus notialis）和佛罗里达石蟹（Menippe mercenaria）——其中佛罗里达石蟹被摄食频率最高（在31个样本中的12个中检出，占38.7%）。此外，研究人员在3个样本（9.7%）中检出了此前未见报道的猎物——沙海参（Holothuria inornata）。上述结果表明，粪便宏条形码技术可有效替代传统研究方法，并凸显了进一步研究伊氏石斑鱼对西佛罗里达石蟹渔业潜在影响的必要性。

论文解读

一、研究背景与科学问题

伊氏石斑鱼（Epinephelus itajara）是西大西洋最大的石斑鱼种类，最大全长可达250 cm，最大体重可达320 kg。该物种具有生长缓慢、性成熟晚（6年）、寿命长（37年）、栖息地忠诚度高以及形成大规模聚集产卵等生活史特征，使其极易受到过度捕捞的影响。由于过度捕捞和红树林 nursery 栖息地的破坏，该物种在20世纪后半叶经历了严重的种群衰退，几乎濒临灭绝。这一衰退促使美国国家海洋渔业服务局（NMFS）于1990年对伊氏石斑鱼实施捕捞禁令。

尽管国际自然保护联盟（IUCN）将该物种列为易危物种，佛罗里达鱼类和野生动物保护委员会（FWC）仍面临来自利益相关方的压力，要求重新开放伊氏石斑鱼渔业。部分休闲和商业渔业从业者声称，恢复中的伊氏石斑鱼种群正在对佛罗里达州造成负面生态和经济影响，其依据是认为伊氏石斑鱼摄食了足够多的商业和休闲重要物种，从而显著降低了这些物种的种群数量。然而，此前Koenig和Coleman以及Malinowski开展的胃内容物分析研究均表明，伊氏石斑鱼并未摄食足够多的石斑鱼、鲷鱼和龙虾来显著降低其种群数量。但胃内容物分析需要侵入性采样技术，且视觉猎物鉴定往往导致大量猎物仅能归类为无法识别或仅能鉴定到科或属水平。因此，需要开发并实施侵入性更小、分类分辨率更高的采样方法。

环境DNA（eDNA）宏条形码技术正是这样一种方法，它通过使用通用引物和高通量测序，可同时鉴定环境样本中的多个分类单元。粪便DNA宏条形码已在需要非侵入性和低应激采样方法的研究物种摄食生态研究中得到应用。伊氏石斑鱼在其分布范围内仍被视为易危物种，在美国和佛罗里达州水域受到高度保护，使其成为利用粪便DNA宏条形码开展摄食生态研究的理想物种。

二、研究设计与方法概述

研究人员于2022年7月22日至2023年10月30日在佛罗里达州西南部州属水域、2023年12月11日至2024年4月11日在大沼泽地国家公园（Everglades National Park, EVER）开展采样。共采集31尾幼年伊氏石斑鱼（全长<120 cm，范围37–104 cm，平均68.3 cm）的粪便样本，其中14个样本来自州属水域，17个来自大沼泽地国家公园。样本采集采用两种方法：州属水域使用PUM 38-U流体采样泵插入泄殖腔采集，大沼泽地国家公园使用高压灭菌的泄殖腔拭子采集。样本在冰上运输至实验室后于?80 °C保存。DNA提取使用DNeasy PowerSoil Pro Kit，细胞色素c氧化酶亚基I（COI）基因PCR扩增使用mlCOIintF和jgHCO2198引物，经两轮PCR后使用Illumina MiSeq平台进行双端测序（600 cycles）。序列数据经USEARCH v11.0.667按UNOISE流程处理，通过BLASTNn比对NCBI参考数据库进行物种鉴定，序列读数均一化至每样本10,000条。此外，研究人员使用Spearman秩相关分析了1985至2024年间西佛罗里达伊氏石斑鱼总渔获量与西佛罗里达石蟹商业上岸量之间的相关性。

三、研究结果

3.1 环境参数与幼年伊氏石斑鱼采集

研究人员在2022年7月22日至2024年4月11日期间采集了31份幼年伊氏石斑鱼粪便样本，鱼体全长37至104 cm，平均68.3 cm。捕获水深2.3至9.1 m，水温19.1至31.3 °C，盐度25至37 PSU。17尾捕获于红树林栖息地，12尾在人工鱼礁，1尾在码头下，1尾在桥下。

3.2 线粒体COI基因分析

归一化前共获得1,067,808条序列，每样本平均分析读数为34,445条。共鉴定出4个界：动物界（Animalia）占96.9%，色素界（Chromista）占2.7%，真菌界（Fungi）占0.4%，绿色植物界（Viridiplantae）占0.003%。有效序列（宿主或猎物序列）共967,347条（90.6%），其中宿主序列占有效序列读数的86.3%，猎物序列占4.8%。31个样本中有24个（71.0%）含有猎物序列。

3.3 扩增子序列读数数量

归一化（10,000条）并去除宿主序列后，在动物界内鉴定出3个纲的18个猎物分类单元：辐鳍鱼纲（Actinopterygii）占74.6%，软甲纲（Malacostraca）占24.7%，海参纲（Holothuroidea）占0.7%。辐鳍鱼纲内鉴定出7目8科的10个猎物分类单元，软甲纲内鉴定出1目5科的7个猎物分类单元，海参纲内鉴定出1目1科的1个猎物分类单元。

3.4 猎物分类单元的相对出现频率

软甲纲、辐鳍鱼纲和海参纲猎物的相对出现频率（分类单元检出次数/所有分类单元检出总次数，n=75）分别为52.0%、44.0%和4.0%。出现频率最高的三个猎物分类单元为佛罗里达石蟹（M. mercenaria）（16.0%，12个样本）、纹棘鲀（Chilomycterus schoepfii）（16.0%，12个样本）和虹彩游泳蟹（Achelous gibbesii）（16.0%，12个样本），其次为豹纹鲂鮄（Prionotus scitulus）（6.7%，5个样本）、眼斑箱鲀（Calappa ocellata）（6.7%，5个样本）、南方粉红对虾（Farfantepenaeus notialis）（5.3%，4个样本）、珍妮银鲈（Eucinostomus gula）（5.3%，4个样本）和猪鱼（Orthopristis chrysoptera）（5.3%，4个样本）。

3.5 伊氏石斑鱼与石蟹种群趋势

1985至2024年间，西佛罗里达伊氏石斑鱼总渔获量与西佛罗里达石蟹商业上岸量之间呈负相关关系。Spearman秩相关分析表明两变量之间存在统计学显著的非线性关联（ρ = ?0.384，p = 0.014）。这一关系在2008至2010年间最为明显，当时极端寒冷事件严重影响了西佛罗里达幼年伊氏石斑鱼，其总渔获量下降，而石蟹商业上岸量在寒冷事件后的几年中显著增加。2023年，西佛罗里达伊氏石斑鱼总渔获量达到2007年以来的最高水平，而石蟹商业上岸量则处于1984年以来的最低水平。

四、讨论与结论

研究人员指出，粪便DNA宏条形码为受保护鱼类物种的摄食生态研究提供了一种微创替代方法。与胃内容物分析相比，粪便DNA宏条形码的优势在于采样侵入性小、猎物状态不影响物种鉴定、分类分辨率高——本研究中100%的检出猎物分类单元均鉴定到种水平。但该方法也存在局限性，包括现场采样可能受到环境污染导致假阳性、目前缺乏标准化的定量分析方法、无法排除同类相食、二次捕食或偶然摄食，以及钩线捕获的鱼在表面制服时常会排空肠道导致无法采集粪便样本。

与以往研究比较，本研究与Koenig和Coleman以及Malinowski的研究结论一致，即幼年伊氏石斑鱼主要以蟹类和小型鱼类为食。但本研究中软甲纲的出现频率（53.4%）低于以往研究（79.3%和76.6%），而辐鳍鱼纲的出现频率（43.1%）高于以往研究（19.8%和23.4%），这种差异可能源于方法、样本量或时空因素的差异。在鉴定的15个猎物科中，有8个科与以往两项研究一致，其中石蟹科（Menippidae）在各项研究中均具有较高的出现频率。值得注意的是，研究人员发现佛罗里达石蟹（M. mercenaria）与海湾石蟹（M. adina）的COI序列高度相似，无法通过序列进行物种区分，但基于采样地点与佛罗里达石蟹的已知分布重叠以及两物种间不存在持续杂交的证据，将所有石蟹ASV鉴定为佛罗里达石蟹。

在18个猎物分类单元中，3个具有商业价值：佛罗里达石蟹（Menippe mercenaria）、南方粉红对虾（Farfantepenaeus notialis）和大西洋蓝蟹（Callinectes sapidus）。佛罗里达石蟹在12个样本中被检出，与纹棘鲀和虹彩游泳蟹并列出现频率最高。研究人员发现西佛罗里达伊氏石斑鱼总渔获量与石蟹商业上岸量之间存在统计学显著的负相关关系，但强调这些数据仅是丰度的替代指标，观察到的石蟹商业上岸量下降可能源于其他因素（如栖息地丧失、过度捕捞、其他捕食者等）。此外，即使恢复中的伊氏石斑鱼种群确实导致了石蟹商业上岸量的下降，也可以认为这两个种群之间的平衡正在回归自然水平——即种群衰退前的上岸量可能是伊氏石斑鱼种群降至近灭绝水平的异常值。

研究结论指出，本研究数据为佛罗里达州属水域和大沼泽地国家公园万岛群岛地区的幼年伊氏石斑鱼摄食生态提供了有价值的信息。研究结果与以往研究一致，即蟹类和小型鱼类是其主要食物来源。研究人员鉴定出3个商业价值猎物分类单元和1个此前未见报道的猎物分类单元——沙海参（Holothuria inornata）。佛罗里达石蟹在31个样本中的12个中被检出（38.7%），促使研究人员开展了丰度替代指标的探索性分析，发现了伊氏石斑鱼与石蟹在西佛罗里达海岸丰度代理指标之间的统计学显著负相关关系，该关系在文献中鲜有报道，鉴于其对渔业管理的潜在影响，值得进一步研究。这些结果凸显了粪便DNA宏条形码的优势及其即使在小样本量下也能作为传统摄食生态方法微创替代方案的有效性。未来的伊氏石斑鱼摄食生态研究应结合胃内容物分析和粪便DNA宏条形码，以确保对其摄食生态进行全面分析。