图文摘要
成果简介
近日，南京大学张效伟教授团队在ESE上发表了题为“Evaluating eDNA and eRNA Metabarcoding for Aquatic Biodiversity Assessment: from Bacteria to Vertebrates”的论文。文章从细菌到脊椎动物九个生物类群，评估了环境DNA（eDNA）和环境RNA（eRNA）宏条形码技术在长江水生态监测方面的性能。结果发现，eDNA和eRNA数据之间具有很强的互补性，两者的相对可检测性明显受到生物类群和生物体大小的影响，其中eDNA对大型生物具有更强的信号。研究强调了eDNA和eRNA在世界性大河开展生物监测的潜力，同时表明了对eDNA和eRNA数据进行差异化解读的必要性。本研究受国家重点研发计划项目（2021YFC3201003，2022YFC3202101）资助。
引言
大量的资源被投入到环境治理和生态系统修复，如何在复杂和动态的生态系统中评估修复的成效至关重要，特别是河流生态系统。“昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架”提出需要创新的生物监测方法，以支撑全球范围内的生态保护和环境管理。从细菌到鱼类的完整分类群及其多层次组织对水生生态系统的功能和稳定性至关重要，因此应进行全面监测。然而，传统基于形态的生物监测方法无法满足这些需求，这种不确定性可能会阻碍进一步的环境保护和修复工作。近年来，通过分析环境核酸（eNAs），包括eDNA和eRNA的宏条形码技术，以其成本效益高且非侵入性的生物监测能力，受到科研计划和管理部门的广泛关注。本研究在长江三个横断面的不同垂直和水平位置采集eDNA和eRNA样品，以评估两种方法检测九个不同体型的生物类群的一致性和互补性。
图文导读
导读内容一：eNA在捕获生物类群多样性的一致性和互补性
文章首先对比了eDNA和eRNA对从细菌到脊椎动物的九个生物类群的检测性能。根据生物类群的平均大小，将九个生物类群划分为微型生物（细菌、藻类、原生动物）、中型生物（真菌、轮虫、节肢动物）和大型生物（鱼类、两栖动物和陆生脊椎动物）。结果发现在微型生物和中型生物中，53.93%到80.19%的ASVs同时被eDNA和eRNA检出，而在大型生物中只有18.85%（陆生脊椎动物）到32.48%（鱼类）的ASV同时被检出。除了细菌和两栖动物，eDNA样品检出更多的ASVs，并表现出从上游到下游递减的空间分布模式。eRNA样品检出更多的细菌ASVs，而对于两栖动物，eDNA和eRNA检出的ASV丰富度无显著差异（图1）。
图1 ASV丰富度在采样断面之间和eDNA/eRNA样本中的比较。a. 细菌；b. 藻类；c. 原生动物；d. 真菌；e. 轮虫；f. 节肢动物；g. 鱼类；h. 两栖动物；i. 陆生脊椎动物。
研究人员进一步使用线性回归模型比较了eDNA和eRNA样品的ASV丰富度。结果发现eDNA和eRNA监测的藻类、真菌、轮虫和节肢动物的ASV丰富度显著一致，但对细菌、原生动物、鱼类、两栖动物和陆地脊椎动物没有显著的线性关系（图2）。
图2 eDNA和eRNA样品ASV 丰富度的一致性。a. 细菌；b. 藻类；c. 原生动物；d. 真菌；e. 轮虫；f. 节肢动物；g. 鱼类；h. 两栖动物；i. 陆生脊椎动物。
导读内容二：eDNA和eRNA相对检测性能的体型依赖性
结果发现eDNA与eRNA的相对可检测性具有显著的体型依赖性，这表明对于较大的生物，eDNA信号相对于eRNA更强。在eRNA样本中发现的细菌ASVs比在eDNA样本中更多，而对于其他生物类群，eDNA样本中的ASVs数量显著高于eRNA样本。eDNA和eRNA检出的ASV丰富度之比随着生物群落平均体长显著增加（图3a，LME p < 0.001），共同检出的ASV占比则减少（图3b，LME p < 0.001）。在分类单元水平上，eDNA和eRNA检出的丰富度之比随着生物体大小显著增加（图3c，LME p = 0.015），而共同检出的分类单元占比无显著的体型依赖性（图3d，LME p = 0.155）。
图3 生物体大小对eNAs相对可检测性的影响。a, c. eDNA和eRNA样品中的丰富度之比；b, d. eDNA和eRNA样品共同检出的ASV或分类单元占比。
导读内容三：eDNA和eRNA检出的生物群落结构差异
最后，文章比较了eDNA和eRNA检出的生物群落结构。结果发现eDNA和eRNA检出的九个生物类群的群落结构均具有显著差异，检测方法造成的差异远大于生物群落的空间差异（图4）。无论在采样断面内和采样断面之间进行比较，eDNA样品中细菌、两栖动物和陆生脊椎动物群落的Jaccard相异度较高，eRNA样本中藻类、轮虫、节肢动物和鱼类群落的Jaccard相异度较高，而在原生动物和真菌群落中没有显著差异（图4）。
图4 基于Jaccard距离的九个生物群落的PCoA图。a. 细菌；b. 藻类；c. 原生动物；d. 真菌；e. 轮虫；f. 节肢动物；g. 鱼类；h. 两栖动物；i. 陆生脊椎动物。
结论
研究结果表明，eDNA和eRNA数据在检测不同生物类群多样性方面表现出很强的互补性，但在不同生物群体之间存在差异。eDNA和eRNA的相对检测能力具有显著的体型依赖性，对于较大的生物类群，eDNA的信号相对较强。eDNA和eRNA表现出相似的空间分布模式。然而，eRNA对大型生物的较低检测能力表明，eDNA在较小尺度上显示出更强的空间整合性。这些发现强调了eDNA和eRNA在世界性大河开展生物监测中的潜力，同时表明了对eDNA和eRNA数据进行差异化解读的必要性。
作者简介
第一作者：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，相关成果在Environmental Science & Technology、Environment International和Communications Earth & Environment等环境科学与生态学领域学术期刊发表论文9篇，其中以第一作者发表4篇。
通讯作者：张效伟，教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划项目首席科学家。长期致力于生态毒理学与水生态健康研究，提出了基于组学的污染物生态风险评估原理，开发了基于环境 DNA 精准生物监测与生态健康评估新技术，在Nat. Commun.，Glob. Change Biol.，Environ. Sci. Technol.和Water Res.等生态环境领域权威刊物上发表SCI论文200余篇。授权国家发明专利10余项。入选万人计划-科技创新领军人才（2018）。担任Environ. Sci. Technol.副主编、世界银行及世界粮农组织咨询专家等兼职。
论文信息
原文标题：Evaluating eDNA and eRNA metabarcoding for aquatic biodiversity assessment: From bacteria to vertebrates
引用信息：Zhang, Y., Qiu, Y., Liu, K., Zhong, W., Yang, J., Altermatt, F., & Zhang, X. (2024). Evaluating eDNA and eRNA Metabarcoding for Aquatic Biodiversity Assessment: from Bacteria to Vertebrates. Environmental Science and Ecotechnology 21: 100441.
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期刊简介
在生态环境部黄润秋部长亲自提出和指导下，Environmental Science and Ecotechnology（ESE）于2020年1月正式创刊。ESE由中国科协主管，由中国环境科学学会、哈尔滨工业大学和中国环境科学研究院共同主办。ESE为双月刊，面向全球开放获取（全部论文皆可免费阅读、下载）。
ESE首届编委会由120位全球生态环境研究领域的顶级专家学者构成。哈尔滨工业大学任南琪院士担任主编，中国环境科学学会理事长、生态环境部环境规划院王金南院士和中国环境科学研究院吴丰昌院士担任副主编，俞汉青院士、Danny Reible院士等13位世界顶尖学者担任执行主编和执行副主编。
ESE已入选3个 “一区”，即中科院一区（大、小类）、JCR报告Q1区和中国科协高质量科技期刊T1区。2023年ESE获得首个完整影响因子12.6，最新影响因子为14.0，最新CiteScore为20.4。
期刊官网：https://www.sciencedirect.com/journal/environmental-science-and-ecotechnology
