《Journal for Nature Conservation》：Environmental and fecal DNA metabarcoding reveal complementary patterns of fish species composition and trophic interactions in a wetland ecosystem
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通过环境DNA（eDNA）和粪便DNA（fDNA）双源采样分析黑龙江兴凯湖湿地鱼类群落，发现水样检测到31种、粪便检测到41种鱼类，24种重叠。研究表明两者结合能更全面揭示鱼类群落结构和白鹤食性关联，为湿地生物多样性监测和濒危物种保护提供新方法。
David J. Kavana|王宇辰|张国灿|何思琴|于冰
中国东北林业大学野生动物与保护区学院，哈尔滨150040
摘要
鱼类物种的保护需要关于湿地生态系统内物种组成的可靠信息。沼泽和湿地是沼泽湿地的一部分，尽管它们在支持营养相互作用和生物多样性方面具有生态重要性，但仍然研究不足。在这项研究中，我们利用水样中的环境DNA（eDNA）和濒危东方白鹳的粪便DNA（fDNA）来表征中国东北兴凯湿地保护区的鱼类物种组成。我们采用了双源DNA采样方法，基于环境检测（eDNA）和饮食检测（fDNA）来评估鱼类物种的检测模式和重叠情况。在水样中检测到31种鱼类，在粪便样本中检测到41种鱼类，其中有24种鱼类在这两种样本类型中都存在。多元分析表明，不同样本中鱼类物种的检测结果存在差异，有些物种仅在水样或粪便样本中被检测到，这表明这两种环境信号在检测物种存在方面的性质有所不同。我们的发现表明，结合使用环境和饮食DNA来源可以提高物种检测的准确性，并提供对湿地鱼类群落的全面了解。我们的结果再次强调了整合多种环境DNA采样来源的重要性，以评估生物多样性并为保护策略提供依据，特别是在传统方法可能不适用的地区。
引言
哺乳动物、鸟类、鱼类、爬行动物、两栖动物和无脊椎动物等生物不断向环境中释放生物物质（Ragot和Villemur，2022a）。这些物质包括配子、细胞、毛发、唾液和其它废物（Ficetola等人，2008；Turner等人，2015）。一旦释放，这些物质会沉积在各种环境介质中，有些会悬浮在水中或空气中并可以被运输到远处，而另一些则会沉积在土壤、沉积物或生物膜中（Deiner等人，2017；Sahu等人，2023）。这些生物痕迹通过既定协议被收集并随后处理以提取环境DNA，从而实现物种鉴定（Nogueira等人，2025；Port等人，2016）。然而，由于微生物活动、温度、紫外线暴露和其他环境条件的影响，释放到环境中的DNA会迅速降解（Fujii等人，2019；Harper等人，2019；Jeunen等人，2019；Takahara等人，2015；Wilcox等人，2016）。尽管存在这一限制，eDNA仍提供了一种强大的、非侵入性的工具，可以监测生物多样性而不干扰其他生物（Ryan等人，2022；Yang等人，2023a；Yang等人，2023b）。这表明eDNA在生物多样性监测中有更广泛的应用潜力。我们的目标是了解沼泽湿地生态系统中的鱼类群落结构，并研究鱼类与食鱼鸟类——濒危的东方白鹳（Ciconia boyciana）之间的营养关系，因为东方白鹳主要以鱼类为食物来源，从而为保护湿地栖息地和物种提供依据。一个日益受到关注的领域是结合使用环境来源的DNA（如eDNA和fDNA）来同时评估鱼类群落组成和鸟类饮食。水中的eDNA可以提供环境中鱼类群落的快照，但可能无法充分代表稀有或底栖物种；相比之下，fDNA反映了实际的猎物消耗情况，从而直接揭示了营养相互作用，尽管它可能偏向于那些被更频繁消耗或来自远处栖息地的物种。
湖泊和河流通常拥有大量的鱼类种群和较高的物种多样性（Van der Sleen & Albert，2022），是大多数关于淡水生态系统中的鱼类群落结构、多样性和影响因素的研究的主要焦点（Chen等人，2021；Manel等人，2020；Wang等人，2023，2024）。然而，像沼泽和湿地这样的沼泽生境虽然对鱼类繁殖和栖息至关重要，也是受威胁和濒危鸟类的关键停留地（Kavana等人，2024；Neice和McRae，2021；Tillotson等人，2018），却受到了较少的关注。在这里，我们评估了中国东北兴凯湖国家自然保护区内的沼泽湿地生境中的鱼类群落结构、物种丰富度以及营养相互作用。该保护区是许多留鸟和候鸟的重要繁殖和觅食地，包括濒危的东方白鹳（Yang等人，2023a；Yang等人，2023b）。鱼类被认为是许多留鸟和候鸟的重要食物来源（Lin等人，2022；Ma等人，2022）。我们采用了双源eDNA采样方法（水和鹳的粪便）来全面评估鱼类物种组成，并确定鹳所消耗的鱼类物种。了解这些模式对于制定鱼类群落及其鸟类捕食者以及整个湿地生态系统的保护策略至关重要。具体来说，我们假设：（i）水样可以检测到湿地中更广泛的鱼类物种，而（ii）粪便样本能检测到代表鹳饮食的鱼类物种子集，包括在水样中可能被低估的物种。这种方法提供了对鱼类-鸟类相互作用的更全面理解，并有助于保护鱼类种群及其依赖的湿地栖息地。
研究区域
我们在兴凯湖国家自然保护区的沼泽湿地生境中采集了水和粪便样本用于eDNA分析。该保护区位于中国东北部的黑龙江省，靠近中俄边境（图1）。该地区属于温带季风气候区，年平均气温为4°C，1月份最低气温为-17°C，7月份最高气温为21°C（Liu等人，2019）。该地区年平均降水量为650毫米。
水样和粪便样本中的鱼类分类组成和丰富度
我们从水样和粪便样本中获得了总计567,100个读数，其中水样贡献了21,488个读数，粪便样本贡献了545,612个读数（补充文件S1）。OTUs的选择基于Goldberg等人（2016）推荐的阈值，仅选择那些值较高的OTUs。共鉴定出48个MOTUs，其中31个来自水样，41个来自粪便样本（补充文件S1）。这些OTUs代表了8个目、17个科和48个
基于eDNA和fDNA的鱼类物种检测与鱼类群落结构的关系
eDNA分析鉴定出48种鱼类，提供了这些作为东方白鹳主要觅食地的沼泽生境中物种组成的全面图谱。如此多的鱼类物种被检测到表明这些生境是可行的，并且能够通过维持高水平的鱼类物种丰富度来支持物种多样性和营养相互作用，这对于维持鹳类及其他食鱼鸟类至关重要
结论
基于我们的研究结果，互补的水和粪便DNA（统称为eDNA）宏条形码分析是研究以浅水和水下植被为主的生境中鱼类物种群落结构及其与食鱼鸟类营养相互作用的重要方法。eDNA的应用也可以扩展到其他深水生境，如海洋、湖泊和河流
未引用的参考文献
Bohmann等人，2014；Lechowicz，1982；Wang等人，2022。
CRediT作者贡献声明
David J. Kavana：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。王宇辰：撰写——审稿与编辑、验证、正式分析、数据管理。张国灿：撰写——审稿与编辑、正式分析、数据管理。何思琴：撰写——审稿与编辑、方法论、正式分析。于冰：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。
资助
本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFF1300903）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
