《Metabarcoding & Metagenomics》：Welcome to Hotel Hymenoptera: monitoring cavity-nesting bee and wasp distribution and their trophic interactions using community science and metabarcoding
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本研究旨在解决生态系统服务（如植物-传粉者、捕食者-猎物、寄主-寄生蜂相互作用）的复杂性及其监测难题。研究人员结合社区科学和DNA宏条形码技术，在加拿大各地的学校设置了陷阱巢，以研究洞巢蜂和黄蜂的分布、相互作用及与地景的关系。结果揭示了新的物种分布范围（可能是因采样不足或近期范围扩张），并构建了详细的二部和三部相互作用网络，发现了新的蜂、黄蜂与寄生者关联。该研究为自然史学家和保护主义者提供了详细的分布图与网络信息，强调了分子方法在深入探究这些生态关系中的价值，对保护传粉者和害虫控制天敌具有重要意义。
在我们的周围，有一个微型的世界在悄无声息地运转，其中许多居民对人类社会的存续至关重要。它们就是蜜蜂和黄蜂。蜜蜂的授粉服务保障了粮食安全，而黄蜂作为捕食者，是控制害虫的天敌。然而，这些由植物-传粉者、捕食者-猎物、寄主-寄生者构成的复杂网络正受到人类活动的强烈干扰。城市化、农业集约化等土地利用变化不仅减少了生物多样性，还破坏了物种间的微妙相互作用。更令人担忧的是，外来物种可能凭借更强的适应力，在城市化环境中占据优势，挤占本土物种的生存空间。了解这些生态系统的“工程师”和“守护者”的现状，是保护它们的第一步，但这并非易事。传统的观测方法往往低估了生态网络的复杂性，难以准确刻画物种的精确分布、食性偏好及其面临的寄生风险。
为了更清晰地描绘加拿大境内洞巢蜜蜂与黄蜂的生态图景，Sage Handler、Katerina Coveny、Thomas W. A. Braukmann、Nigel E. Raine和Dirk Steinke的研究团队开展了一项创新性研究。他们巧妙地将“社区科学”的强大数据收集能力与先进的“DNA宏条形码”技术相结合。研究邀请加拿大的中小学师生作为“社区科学家”，在2019年和2020年的夏季，于校园内安装特制的“陷阱巢”。这些陷阱巢模仿了洞巢蜂和黄蜂在自然界中偏爱的空心茎秆，吸引了多种独居的洞巢膜翅目昆虫前来筑巢繁殖。研究团队回收了这些包含昆虫幼虫、花粉和猎物的巢管，随后在实验室运用DNA宏条形码技术，对巢内的居住者（蜜蜂、黄蜂）、它们的食物来源（植物花粉）和猎物，乃至寄生者进行了精确的分子鉴定。这项研究旨在回答三个核心问题：(1) 加拿大独居洞巢蜂的分布及其为后代储备食物的植物来源；(2) 独居洞巢黄蜂的分布及其与猎物、寄生者的相互作用；(3) 巢址周围500米范围内的局部地景如何影响这些蜂类的分布。相关成果发表在《Metabarcoding and Metagenomics》期刊上。
为了开展研究，作者主要运用了以下关键技术方法：1. 社区科学陷阱巢监测：在2019和2020年，向加拿大各地的学校分发并回收了标准化的陷阱巢（由PVC管和不同直径的纸管构成），用于收集洞巢蜂、黄蜂及其后代、食物和猎物样本。2. DNA提取与宏条形码测序：对样本进行标准化DNA提取，并使用针对线粒体细胞色素c氧化酶I亚基（COI）基因和植物rbcL基因的特异引物进行PCR扩增，通过Illumina MiSeq和NovaSeq平台进行高通量测序。3. 生物信息学与数据分析：使用JAMP等流程处理测序数据，将序列与BOLD和GenBank数据库进行比对以鉴定物种。基于鉴定结果，利用R语言构建了植物-传粉者、捕食者-猎物、寄生者-寄主的二部和三部相互作用网络，并计算了网络连接度、嵌套性等指标。同时，结合加拿大2015年土地覆盖数据，使用QGIS和R分析了巢址周围500米地景类型（农田、森林、城市）对蜂类群落组成的影响。
研究结果
一般结果
研究从638个被占据的巢管中成功提取并分析了887个样本的DNA。通过COI和rbcL基因的宏条形码分析，共鉴定出78个膜翅目分类单元，包括29种蜜蜂（24种为洞巢蜂，5种为窃寄生蜂）和49种黄蜂（27种为捕食性，22种为寄生/寄生蜂性）。此外，还检测到来自11个其他昆虫目的328个分类单元，包括寄生者和潜在猎物。植物分析揭示了来自91科384个属的植物。2020年的物种丰富度和多度均显著高于2019年。
分布
通过与历史分布记录（来自GBIF等数据库）比较，研究发现10种蜜蜂（包括3种外来种和7种本土种）和4种黄蜂出现了可能的地理分布范围扩张。例如，外来种Osmia taurus在多个省份的新发现，暗示了其快速的地理扩张。
相互作用
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食物网络：构建的多部网络（图3）清晰地展示了包括天敌、捕食性黄蜂、传粉者、植物和猎物在内的复杂物种相互作用。
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植物-传粉者网络：针对22种洞巢蜂和88科植物构建的二部网络（图4）显示，大多数蜜蜂表现为多食性（采集多种植物花粉）。菊科、豆科和蔷薇科是最常被利用的植物科。整体网络连接度为0.59，嵌套性较低，表明不同地点间的物种组合差异较大。
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捕食者-猎物网络：对捕食性黄蜂与猎物构建的二部网络（图5）显示，在23种分析的黄蜂中，有11种被发现携带有历史记录之外的猎物，这表明它们的食性可能比已知的更广。
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寄生关系：在49%的位点和27%的被占巢管中发现了寄生者。针对寄生蜂、寄生蝇与寄主构建的二部网络（图6）揭示了10种寄生者与新的寄主记录。例如，Coelioxys属的蜜蜂不仅寄生已知的Megachile属蜜蜂，还发现了寄生黄蜂的新记录。
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种间共巢：在排除寄生关系后，仍有155个巢管中发现有两种或以上（最多四种）的捕食性黄蜂和/或传粉蜜蜂共同筑巢，这可能源于巢的遗弃或被侵占现象。
地景
根据地景优势类型（农田、森林、城市）对位点进行分类分析后发现，蜜蜂和黄蜂的物种丰富度与多度在不同地景类型间没有显著差异。然而，蜜蜂的群落组成在不同地景间存在差异，例如Megachile rotundata在农田景观中最多，而Osmia lignaria和M. rotundata在城市区域更常见。
研究结论与讨论
本研究通过结合社区科学与DNA宏条形码，深入探究了加拿大独居洞巢蜂和黄蜂的分布与相互作用，取得了多方面的成果。首先，研究揭示了多个蜂类物种潜在的地理分布范围扩张，这可能是由于先前采样不足，或确实反映了物种因气候变化、人类活动或意外引入而发生的实际扩张。其次，分子技术揭示了比传统观测记录更为复杂的生态相互作用网络。研究不仅证实了大多数蜜蜂的多食性，还发现了一些历史上被认为专食性（寡食性）的物种也利用了多种植物花粉，这可能是由于共巢、花蜜污染或DNA检测的高灵敏度所致。同时，研究更新了多种捕食性黄蜂的猎物谱和寄生者的寄主记录，填补了相关自然史知识的空白。此外，高比例的种间共巢和寄生率（通过分子方法检测）表明，陷阱巢环境下的种间关系可能比以往基于羽化观察的研究所认为的更为动态和复杂。
这项研究的意义重大。它证明了利用社区科学扩大采样范围，并结合高分辨率的分子工具来研究生态相互作用的强大效力。所生成的详细物种分布图和复杂的生态网络数据，为生物多样性监测、入侵物种管理以及针对传粉者和天敌昆虫的保护策略制定提供了宝贵的科学依据。研究强调了在现代生态学研究中更新和验证历史自然史记录的重要性，并展示了宏条形码技术在揭示隐秘生物相互作用方面的巨大潜力。最终，这些发现有助于我们更好地理解和保护那些支撑着农业生态系统和自然生态系统健康的关键生物及其服务。
