【科技通讯】 世界性大河的第三维：长江横断面鱼类eDNA采样策略研究

第一作者：张颜

通讯作者：张效伟

通讯单位：南京大学环境学院

论文DOI：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c03890

图形摘要

总结

【环境 DNA科技赋能，引领长江水生态监测、评估与保护】

世界性大河对于实现新的全球生物多样性框架的目标至关重要，迫切需要形成快速准确的生物监测策略。环境DNA（eDNA）技术已被广泛用于淡水生态监测。然而，世界性大河如长江中下游横断面超过1千米宽，深度可达数十米，其适用性仍需深入研究。本研究通过在长江下游的两个横断面进行系统的空间采样，揭示了鱼类eDNA断面分布的空间异质性。相较于在单一垂直分层或水平位置采样，随机采样策略可获得更多的鱼类物种。根据累积曲线外推结果，采集超过100升的水以实现90%以上长江下游断面鱼类系统发育多样性（ASV）的监测，而至少60升水以实现90%以上长江下游断面鱼类物种多样性的监测；同时，我们建议布点需要考虑横截面的空间差异。本研究验证了eDNA方法在世界性大河鱼类监测的适用性，同时强调了将横断面纳入世界性大河生物监测第三维的必要性。

上述研究成果近日以“Fishing eDNA in one of the world's largest rivers: a case study of cross-sectional and depth profile sampling in the Yangtze”为题，在线发表于环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上。

研究背景

全球性大河，如长江、尼罗河、亚马逊河等，是连接陆地与海洋的关键生态枢纽。它们孕育着丰富的生物多样性，为全球的生态系统提供重要的生态功能与服务。然而，这些壮丽的河流也面临着污染、过度开发、水坝建设和城市化等多重威胁，对其生态健康构成挑战。

长江作为我国第一大河，拥有独特生态系统，被视为生态宝库。为了保护长江的生物多样性，自2021年1月1日起，长江全域实行“十年禁渔”，禁止传统的捕捞方式，这使得传统方法的鱼类监测遇到瓶颈。近年来，eDNA技术的突破为生物监测和生态功能评估提供了便捷和高效的工具，但在应用于长江这样巨大规模的水域时仍面临挑战。

图1 长江断面鱼类eDNA采样方法

图文导读

1. 高通量测序平台的一致性

本研究首先比较了三种测序平台（华大基因MGI，Illumina NovaSeq和Ion Torrent S5）的超深度测序结果。三种测序平台共同检测出 86.17 %（162/188）的鱼类ASV和93.33 %（42/45）的物种。各平台监测的鱼类α多样性无显著区别。这表明，当测序深度非常高时，各平台之间的差异不显著，而α多样性具有稳健性。

图2 三种测序平台鱼类检出结果比较

2. 鱼类eDNA在断面中的分布不一致

两个横断面内鱼类eDNA均具有显著的空间分层。仅约7%的ASV在所有位置组合中检出，超过一半的ASV仅在垂直层次和水平位置的单一组合中被检测到。该结果揭示了鱼类eDNA在长江断面的空间异质性分布，进一步证明将断面分布纳入长江等世界性大河生物监测的重要性。

图3 鱼类ASV横断面空间分布模式

图4 鱼类ASV和物种在断面不同位置组合的检出

3. 长江鱼类eDNA采样策略

物种累积性曲线外推结果表明，考虑断面空间分布的随机采样策略比在单一垂直层次或水平位置采样可获得更多的鱼类多样性。另外，获得90 %的鱼类ASV需要采集100升以上的水样，而获得90 %的鱼类物种需要约60升的水样。

图5 不同采样策略的累积性曲线外推结果

小结

本研究验证了eDNA方法应用于长江等世界性大河生物监测的适用性，证明了将横截面纳入生物监测第三维的必要性。研究成果为世界性大河生物监测和保护提供并测试了一种可扩展且广泛适用的策略，这将有助于评估并推动其生物多样性保护和生态修复措施。

研究受国家重点研发计划等科研项目《长江生态系统重要指示种与生态健康评估》(2022YFC3202101)、污染控制与资源化研究国家重点实验室和国家留学基金委“国家建设高水平大学公派研究生项目”资助。

第一作者介绍

张颜，南京大学博士研究生，研究方向为环境DNA生物监测、河湖生物多样性生物地理格局及驱动因素。参与多项国家自然科学基金项目及国家重点研发计划，相关研究发表在Environ. Sci. Technol.、Environment International等学术期刊上。

参考文献

1. Zhang, Y.; Zhang, X.; Li, F., et al., Fishing eDNA in One of the World’s Largest Rivers: A Case Study of Cross-Sectional and Depth Profile Sampling in the Yangtze. Environmental Science & Technology 2023.

2. Yang J, Zhang L, Mu Y, Wang J, Yu H, Zhang X. Unsupervised biological integrity assessment by eDNA biomonitoring of multi-trophic aquatic taxa. Environ Int. 2023,175:107950.

3. Altermatt, F,  Carraro, L,  Antonetti, M,  Albouy, C,  Zhang, Y,  Lyet, A,  Zhang, X, &  Pellissier, L. (2023). Quantifying biodiversity using eDNA from water bodies: General principles and recommendations for sampling designs. Environmental DNA,  2023, 5, 671–682.

4. Yang J, Zhang L, Mu Y, Zhang X. Small changes make big progress: A more efficient eDNA monitoring method for freshwater fish, Environmental DNA, 2023, 5, 363–374.