利用eDNA宏条形码技术划定亚热带海湾中的鱼类生态走廊：以中国厦门湾为例

《Regional Studies in Marine Science》：Delineating fish ecological corridors in a subtropical bay using eDNA metabarcoding: a case study from Xiamen Bay, China

本研究利用环境DNA（eDNA）高通量测序技术，分析厦门湾冬季和夏季鱼类群落时空分布特征，识别出两条具有显著季节动态的海洋生态走廊，证实eDNA技术可有效辅助海洋生态走廊规划与生物多样性保护。

　　

海丽|方阳|张翔|廖玉卓|李源|宋普青|刘世刚|林龙山

中国自然资源部第三海洋研究所海洋生物多样性研究实验室，厦门

摘要

识别生态走廊对于缓解栖息地破碎化和保护生物多样性至关重要。本研究首次采用环境DNA（eDNA）宏条形码技术，来识别中国东南部亚热带半封闭海域——厦门湾的潜在鱼类生态走廊，解决了为移动物种划定海洋走廊的难题。我们在2021年的冬季和夏季，从10条样带上的29个地点采集了表层和底层海水样本。通过对12S rRNA基因（MiFish-U）进行eDNA宏条形码分析，发现鱼类群落组成存在明显的季节性变化：冬季检测到46种鱼类，夏季检测到112种鱼类。这些群落主要由暖水性和温带性物种组成，其中包含大量迁徙性物种。α多样性和β多样性分析证实了群落结构的显著季节性差异。通过对栖息地节点的空间分析，我们确定了具有明显季节动态的生态走廊。冬季，一条主要走廊连接了河口与西部水域，另一条次要走廊连接了九龙江口与厦门岛南部水域；夏季，这两条走廊都向东延伸，其中主要走廊延伸至大登岛周围的水域，次要走廊扩展至厦门岛东部水域。这些走廊可能促进了多种关键的生态过程。我们的研究结果表明，eDNA宏条形码技术是一种强大的、具有空间明确性的工具，可用于识别复杂海洋环境中的生态走廊，为海洋空间规划和保护策略提供了新的高效方法。

引言

生物多样性是人类生存的基础，在维持生态系统稳定性和自然资源可持续性方面发挥着关键作用（Myers等人，2000年）。然而，近几十年来，人类活动加速了全球物种灭绝、种群数量下降和分布范围缩小（Butchart等人，2010年；Venter等人，2016年）。栖息地丧失和破碎化是导致这一现象的主要因素，严重损害了生态系统的功能和恢复力（Ceballos等人，2017年）。传统的保护策略，如原地保护和基于面积的保护区，只有在保持生态连通性的情况下才有效，这突显了在栖息地内部和之间建立功能联系的必要性（Tabor等人，2019年）。在这些策略中，生态走廊被广泛认为是维持景观连通性和生物多样性的有效手段（Resasco，2019年；Trombulak和Baldwin，2010年）。

生态走廊是指经过管理和恢复的空间区域，旨在长期维持或增强连通性（Hilty等人，2020年）。它们可以由连接栖息地的连续路径或促进碎片化区域之间移动的离散斑块组成。通过促进物种扩散、基因流动和防止种群隔离，走廊有助于维持可行的种群和整体生物多样性（Chetkiewicz等人，2006年；Damschen等人，2006年）。因此，准确识别和划定这些走廊对于生态系统功能和物种保护都至关重要（Klaassen，1996年）。

尽管存在多种识别走廊的方法，但大多数方法是针对陆地生态系统开发的（Díaz Pacheco等人，2021年；Ferreira-Rodríguez等人，2021年；Hofman等人，2018年）。陆地景观通常具有可见的特征，如土地覆盖类型、地形和物理屏障，使得走廊的划定相对简单（Ppa等人，2020年）。相比之下，海洋环境缺乏固定的物理边界，许多生物具有高度移动性和广泛的扩散能力，导致生态走廊更加动态和开放。这些走廊受到复杂的海洋学和生物学因素的影响，使得直接观察和精确绘制地图变得困难（Oswald等人，2020年；Pendoley等人，2014年）。因此，关于海洋生态走廊的研究仍然有限（Balbar & Metaxas，2019年），尤其是对于像鱼类这样的主动游动物种（Fernandes等人，2005年；He等人，2022年；Watson等人，2010年）。

厦门湾位于中国福建省东南部，靠近北回归线，与台湾海峡对面的台湾岛相对，是一个亚热带半封闭的海湾，具有复杂的海岸线和地形，总面积为390平方公里（Bao，2011年）。它由内湾和外湾两部分组成。内湾主要包括西部水域、九龙江口和同安湾，而外湾则包括南部水域、东部水域以及大登岛周围的水域。厦门湾的水文状况受到黑潮、南海暖流、浙闽沿岸流以及九龙江淡水流入的影响，形成了一个半封闭的水文系统（Zhang等人，2022年）。这些条件为丰富的生物资源提供了支持，使厦门湾成为经济重要鱼类和甲壳类物种的重要产卵和育苗场所。传统的渔业活动，如刺网和定置网捕鱼，长期以来一直依赖这一区域（Yu和Yu，2017年；Zhang和Huang，2009年），尤其是九龙江口和大登岛之间的水域对于鳗鱼捕捞尤为重要（Du等人，2012年）。

随着厦门市的社会经济持续发展和快速城市化，厦门湾及其周边水域面临着日益增加的环境压力（Wei和Huang，2021年；Yang等人，2018年）。厦门湾生态系统的生物多样性和渔业资源呈现出下降趋势，表现为鱼类群落的分类范围减少、生态宽度变窄以及群落稳定性降低（Huang等人，2013年），鱼类多样性水平显著下降。九龙江口的鳗鱼苗资源（如Anguilla japonica）不再能够形成渔季（Fang等人，1998年；Lian等人，1997年）是鱼类资源减少的重要表现。过度捕捞（Huang等人，2007年；Zhang和Huang，2009年）、环境污染（Yang等人，2018年）以及工程建设造成的栖息地破碎化（Du等人，2012年；Liao等人，2014年）被认为是导致这些现象的主要原因。作为最多样化的脊椎动物群体，鱼类是海洋生态系统正常运作的关键组成部分，执行一系列基本的生态功能，并作为生态系统承载能力的指标（Cecilia等人，1999年；FAO，联合国，2012年）。保护鱼类多样性对于恢复生态系统和生物资源具有重要意义。因此，有必要采取适当措施来识别、维护和增强鱼类群落的生态连通性，以保护鱼类多样性水平（Hilty等人，2020年）。因此，准确识别和划定厦门湾的鱼类生态走廊是当前鱼类多样性保护的重点之一。然而，如前所述，无论是国内还是国际上，关于海洋生态走廊建设的研究至今仍相对有限。针对像鱼类这样的主动移动生物的生态走廊研究仍处于探索阶段，公认的例子和成熟模型很少（He等人，2022年）。目前针对具有自主移动能力的海洋生物的生态走廊研究通常使用追踪方法（Briscoe等人，2021年；Williamson等人，2016年）。然而，这些方法成本较高，仅限于追踪少数个体，并且难以定量识别目标物种种群在空间上的生态走廊。

近年来，随着分子生物学技术的发展，环境DNA（以下简称eDNA）技术因其高灵敏度、低成本和非侵入性而在生物多样性研究中得到广泛应用。eDNA是指从自然环境中提取的总遗传物质（Taberlet等人，2012年；Thomsen和Willerslev，2015年）。生物通过皮肤、黏液、血液、排泄物和分解的尸体等多种途径将eDNA释放到外部环境中（H?nfling和Handley，2021年）。结合高通量测序等技术，eDNA技术可以用于分析多物种生物群落，并区分大范围内不同采样点之间的物种组成差异（Wang等人，2021年）。目前，众多成功案例表明，eDNA技术适用于研究典型栖息地（包括海湾、河口和沿海地区）的鱼类多样性（Andruszkiewicz等人，2017年；Zou等人，2020年；Aglieri等人，2021年）。此外，即使在细小的空间尺度上，eDNA技术也能准确识别物种和分布信息，不受水文环境和栖息地条件的影响（Jeunen等人，2019年；West等人，2020年；Yamamoto等人，2017年）。因此，由于其在海洋环境中对鱼类物种组成和分布模式进行空间定量分析的潜力，eDNA技术有望为识别海洋鱼类生态走廊提供新的方法和解决方案。

在这项研究中，我们在不同季节采集了厦门湾的浮游和底栖海水样本，这些季节对应于鱼类的迁徙期。利用eDNA宏条形码技术，我们旨在（1）描述鱼类群落的分类组成和空间分布；（2）根据从eDNA数据得出的空间连通性模式，推断居民物种和迁徙物种的潜在生态走廊。这种方法为识别和保护海洋生态走廊提供了一个有前景的框架，填补了当前海洋生物多样性研究中的关键空白。

章节片段

eDNA采样和提取

在厦门湾及其相邻的九龙江口共设立了29个采样点（图1，表1）。环境DNA（eDNA）采样分别于2021年2月4日（冬季）和8月26日（夏季）进行。在每个采样点，使用Model 1010 2.5升Niskin海水采样器（General Oceanics，美国佛罗里达州）采集了三次重复的表层和底层海水样本（每次2升），并立即在船上过滤以减少DNA降解。

鱼类群落的组成和季节性变化

在厦门湾，冬季检测到46种鱼类，夏季检测到112种鱼类。浮游和底栖群落都表现出较高的分类多样性，尽管不同样带之间的群落组成存在差异，但没有明显的空间模式。在每个样带中，最常见的20种鱼类占群落总丰度的50%以上，尤其是在两个季节的底栖层群落中（图2）。冬季，表层和底层群落中的优势物种包括日本...

厦门湾的鱼类多样性及其季节性变化

水温是影响鱼类群落结构和多样性的最关键因素之一（Zhang和Huang，2009年）。厦门湾表层和底层的水年平均温度超过25°C（Gao，2023年）。本研究的结果表明，厦门湾不同季节的鱼类群落主要由暖水性和亚热带物种主导，没有冷水性物种的出现。这一发现与典型的鱼类群落特征一致...

未引用的参考文献

(He等人，2022年；R Core Development Team，2024年)

CRediT作者贡献声明

张翔：可视化、验证、软件、方法论、正式分析、数据管理。方阳：撰写——初稿、验证、资源获取、方法论、数据管理。海丽：撰写——初稿、资金获取、概念构思。刘世刚：可视化、调查。宋普青：软件、资金获取、概念构思。李源：监督、项目管理、资金获取。廖玉卓：可视化、软件、方法论、调查。

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。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFD2400401）、厦门市自然科学基金（3502Z202372066）、福建省科技计划引导项目（2024N0021）、自然资源部第三海洋研究所“培育创新团队”计划和科学研究基金（2024016）的支持。我们衷心感谢我们的同事刘坤博士的细致和耐心...