解锁深海冷泉生物多样性：利用环境DNA估算海马冷泉中的大型动物多样性

《Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》：Unlocking Deep Sea Cold Seep Biodiversity: Leveraging Environmental DNA for Macrofauna Diversity Estimation in Haima Cold Seep

本研究比较了环境DNA（eDNA）与ROV方法在评估海马冷海渊 macrofauna 多样性中的应用，发现两者互补：eDNA全面检测了脊索动物和腔肠动物，而ROV在软体动物和节肢动物中更高效。联合分析确认30种新物种，表明eDNA可作为ROV的补充工具提升深海冷海渊生物多样性评估的全面性。

　　

姚高原|张华|刘文光|何茂贤

新乡农林大学渔业学院，中国新乡464000

摘要

污染、矿产开采和天然气开发对深海冷泉生态系统构成了威胁。由于缺乏调查和监测，加上对冷泉生物的了解不足，这些生态系统的可持续管理面临困难。环境DNA（eDNA）这一新工具有可能提高水生生态系统的生物多样性研究效率。本研究将使用eDNA获得的结果与传统的遥控潜水器（ROV）现场调查结果进行了比较，以评估海马冷泉的宏观动物多样性。两种方法都检测到了4种物种（占13.33%），而26种物种（占86.66%）仅通过其中一种方法（eDNA或ROV）被检测到。遥控潜水器在评估软体动物和节肢动物多样性方面更为有效，分别有70.0%的软体动物物种和66.7%的节肢动物物种是通过ROV单独发现的。相比之下，eDNA能够检测到所有脊索动物和刺胞动物物种。研究表明，将eDNA metabarcoding作为补充工具应用于深海冷泉生态系统，可以提供全面的生物多样性信息。结合这两种方法共识别出30种宏观动物，涵盖6个门、14个纲、23个目和28个科，其中包括19种新发现的物种。结果表明，海马冷泉的宏观动物多样性水平高于其他深海化能合成生态系统。这项研究不仅加深了我们对海马冷泉宏观动物多样性的理解，还为保护和管理策略提供了宝贵的见解。

引言

地球表面近三分之二被深海覆盖，其中约84%的海域深度超过2000米（Saeedi等人，2019年；Woolley等人，2016年）。近年来，研究人员越来越关注这些广阔而神秘的生态系统中的冷泉，因为它们为深海生物多样性提供了宝贵的信息（Zhao等人，2020年）。冷泉形成于富含甲烷的流体从海底深处渗出，穿过沉积物并进入水柱的过程中（Ceramicola等人，2018年）。这些环境因其极端条件而非常引人注目，包括完全黑暗、缺乏光合作用、高浓度的金属以及巨大的压力，但它们却孕育了多种适应这种恶劣、孤立环境的生命形式（Feng等人，2018年）。冷泉生态系统的运作方式与浅水环境截然不同。浅水依赖阳光和光合作用获取能量，而冷泉则依靠化能合成，即化能细菌通过化学反应产生能量并固定碳（Breusing等人，2015年）。这一过程在深海中孕育了一个独特而繁荣的生态系统（Suess，2014年）。通过更好地了解围绕冷泉的复杂生物群落，我们可以深入了解地球上一些最极端环境中的生物多样性（Van Dover，2002年）。然而，这些深海栖息地正面临来自污染物、矿物开采和碳氢化合物开发的严重威胁，这些活动正在迅速破坏其微妙的平衡（Baco等人，2016年；Beaulieu等人，2013年）。因此，为了保护这些脆弱的生态系统，收集其生物多样性的基线数据对于有效的保护和管理至关重要（Feng等人，2018年）。

冷泉生态系统严重依赖于宏观动物，它们在维持这些独特环境中起着关键作用（Zhao等人，2020年）。有效的管理、保护以及对宏观动物多样性的深入理解对于保护这些生态系统至关重要（Dong等人，2021年；Marshall和Stepien，2020年）。然而，在冷泉生态系统中进行生物多样性调查仍然具有挑战性，因为这涉及到高昂的成本和技术难度（Nakajima等人，2014年）。虽然传统的遥控潜水器（ROV）和载人潜水器可以提供宝贵的现场观察和深海宏观动物群体的物理样本（Dong等人，2021年；Everett和Park，2018年），但许多深海物种仍记录不足。由于这些物种的难以发现和准确识别，视觉识别方法并不总是可靠的（Dong等人，2021年；Everett和Park，2018年；Klunder等人，2020年；Liu和Zhang，2021年；Sinniger等人，2016年；Zhao等人，2020年）。此外，这些传统方法成本高昂，且可能对环境造成损害（Everett和Park，2018年）。因此，仅依靠这些方法进行的宏观动物清单往往不完整，无法全面反映深海生命的多样性。

环境DNA（eDNA）是一种前沿工具，有潜力彻底改变水生生态系统的生物多样性研究。与传统方法需要提取组织不同，eDNA直接从环境中收集，提供了一种非侵入性的生物多样性研究方法（Deiner等人，2017年）。这种方法使研究人员无需对每个个体进行采样，就能全面了解群落结构。环境DNA metabarcoding已在多种水生生态系统中取得成功（Aglieri等人，2021年；Chen等人，2021年；Stat等人，2019年；Zou等人，2020年），已成为管理和保护水生生物的有效生物监测工具（Cilleros等人，2019年；Stoeckle等人，2017年）。因此，假设eDNA方法可以为生物多样性提供补充信息，成为传统方法的有价值替代方案，为深海生物多样性研究带来希望。

2015年，在南海（SCS）的西北坡发现了海马冷泉（Liang等人，2017年）。作为该地区最大的活跃冷泉（Zhao等人，2020年），海马冷泉为研究依赖这些极端环境的生物多样性和生物的适应性进化提供了独特的机会。然而，人们对海马冷泉天然气水合物资源的兴趣日益增加（Feng等人，2019年），这对栖息于此的脆弱生物群落构成了重大威胁（Boschen等人，2013年；Van Dover，2011a，b）。先前的研究已经记录了海马冷泉中的几种宏观动物物种（Chen等人，2018年；Dong等人，2021年；Ke等人，2022年）。全面了解海马冷泉生态系统的宏观动物多样性对其保护和潜在的环境变化至关重要。这些知识也可能在未来生物多样性恢复工作中发挥关键作用（Yang等人，2004年）。尽管eDNA最近已被应用于冷泉研究（Diao等人，2023年），但尚未有研究直接将eDNA metabarcoding与传统的基于ROV的现场调查进行比较。在本研究中，我们将eDNA metabarcoding与基于ROV的现场调查相结合，以调查海马冷泉的宏观动物多样性。研究目的包括：（1）评估eDNA在评估深海冷泉生态系统宏观动物多样性方面的可靠性；（2）将eDNA与传统方法结合，以更全面地了解海马冷泉的宏观动物多样性。

部分摘要

用于宏观动物多样性调查的ROV方法

在海马冷泉区域共评估了五个地点（如图1所示）。“Haima” ROV在2021年5月1日至19日的HYDZ6-202102航次中被部署用于调查宏观动物多样性（图2）。在每个冷泉地点，除了ROV4站点外，都进行了三次重复采样；在ROV4站点未检测到宏观动物，仅收集了用于eDNA分析的水样。对于像Neolithodes brodiei这样的底栖宏观动物，由于技术限制无法捕获...

使用ROV和eDNA方法进行生物多样性估计

共生成了15,054,942条COI基因的读段。经过质量过滤后，移除了4.2%的读段，剩下14,432,234条高质量读段。每个样本的读段数量范围从734,760到503,745不等，平均为610,102条。序列长度在312 bp到314 bp之间（表S1）。全长扩增子的身份一致性在97.1%到100%之间，平均为99.2%。e值范围从6.87E^-161到2.52E^-145（表1）。如图S2所示...

比较eDNA和ROV方法的生物多样性估计结果

深海冷泉生态系统中较低的生物多样性可能会限制eDNA方法在估计宏观动物多样性时相对于传统技术的优势。在本研究中，eDNA方法检测到了6个门、18个科、19个属的19种宏观动物，而ROV方法检测到了4个门、14个科、15个属的15种宏观动物。有趣的是，两种方法在物种丰富度上没有显著差异。这可能归因于...

结论

本研究发现，eDNA和ROV方法检测到的物种丰富度相似，每种方法都提供了独特的、互补的见解。值得注意的是，有26种物种（占86.66%）仅通过其中一种方法（eDNA或ROV）被检测到。ROV方法在软体动物和节肢动物方面的识别效果更好，分别识别出了70%和66.7%的物种，而所有脊索动物和刺胞动物物种都通过eDNA被检测到。这些结果表明，eDNA metabarcoding是估计宏观动物多样性的一个有价值的工具。

作者贡献声明

姚高原：撰写——初稿，研究。张华：监督，软件，方法论。刘文光：撰写——审稿与编辑，监督。何茂贤：撰写——审稿与编辑，资金筹集

未引用参考文献

Zhao等人，2020年。

利益冲突

作者声明没有竞争利益。

资助

该项目得到了广东省南方海洋科学与工程实验室（广州）引进人才团队重点专项（GML2019ZD0401）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2019B030302004）以及广东省科技计划项目（2023B1212060047）的支持。此外，还得到了河南省自然科学基金（252300420726）和河南省科技攻关项目（252300420726）的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

数据和样本是在中国广州海洋地质调查局的研究船（R/V）“海阳6号”上收集的。我们感谢船员在HYDZ6-202005航次期间的协助。