《Ecology and Evolution》：Comparative Analysis of Lepidopteran Community Structure Using DNA Metabarcoding: Warm-Temperate Forest Versus Grass-Shrub Ecotones in Pangquangou National Nature Reserve
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摘要：鳞翅目（Lepidoptera）是地理分布广泛的昆虫目，作为传粉者和植食者在森林及灌草生态系统中发挥关键生态作用。本研究通过比较中国北方庞泉沟（Pangquangou）国家级自然保护区内半干旱区森林与灌草生态系统的鳞翅目物种组成及多样性，为生物多样性保护
摘要：鳞翅目（Lepidoptera）是地理分布广泛的昆虫目，作为传粉者和植食者在森林及灌草生态系统中发挥关键生态作用。本研究通过比较中国北方庞泉沟（Pangquangou）国家级自然保护区内半干旱区森林与灌草生态系统的鳞翅目物种组成及多样性，为生物多样性保护与害虫管理提供科学依据。设置9个代表性样地（5个森林、4个灌草），联合应用DNA宏条形码（DNA Metabarcoding）、DNA条形码（DNA Barcoding）及经典形态学方法分析鳞翅目群落。共采集个体2944头，隶属31科80属453种，跨方法物种鉴定吻合率达82%。尽管耗时较长，宏条形码因单样本成本极低（较传统形态学节省达79.2%，较DNA条形码节省达87.3%），在大规模生物多样性监测中具有明显优势，但仍需形态学验证确保准确鉴定。优势科在森林中相对多度（85.07%）高于灌草区（75.18%）。基于Shannon-Wiener指数的α多样性在两类生态系统间无显著差异（p = 0.72）。β多样性分析亦表明群落组成相似但差异未达显著水平（p = 0.332）。5个优势科（夜蛾科Noctuidae、舟蛾科Notodontidae、尺蛾科Geometridae、裳夜蛾科Erebidae、蛱蝶科Nymphalidae）为两系统共有，而枯叶蛾科（Lasiocampidae）仅见于森林。值得注意的是，宏条形码数据准确反映了物种组成与多度，可精确预测幼虫期害虫暴发并支持针对性防控。本研究证实辅以形态学核验的DNA宏条形码是评估鳞翅目生物多样性的可靠工具，结果为生态系统监测与害虫治理提供了可靠方案，凸显该方法在大规模生物多样性研究中的应用潜力。
论文解读：基于DNA Metabarcoding的庞泉沟森林与灌草交错带鳞翅目群落结构比较研究
鳞翅目（Lepidoptera）为昆虫纲第二大纲，在陆地生态系统中兼具植食（幼虫取食植物）与传粉（成虫访花）功能，是食物网能量传递的关键环节及生态系统健康评价的生物指示类群。传统形态学鉴定受限于分类专家短缺、未描述种多及幼虫鉴别特征模糊，难以满足大尺度快速评估需求；常规DNA条形码（DNA Barcoding，以线粒体细胞色素c氧化酶亚基I即COI基因为靶标）虽提高鉴定率但逐个处理样本成本高、通量低。DNA宏条形码（DNA Metabarcoding，指对混合样本进行高通量测序并比对数据库以同时获得多物种组成信息的方法）利用高通量测序（High-Throughput Sequencing, HTS）分析混合样本，具低成本、高通量优势，但在不同生境类型间对鳞翅目完整群落（含幼虫与成虫阶段对应类群）的比较研究尚不充分，尤其对暖温带森林—灌草（grass-shrub）生态过渡带的分子评估几近空白。庞泉沟国家级自然保护区位于吕梁山脉中段，保存有天然次生林与沿海拔梯度的灌草甸交错带，此前多聚焦蝴蝶或鞘翅目，缺乏对全类群鳞翅目的跨生境分子比较，限制了对生物多样性维持机制及过渡带生态功能的认知。因此研究人员开展此项研究，旨在明确保护区鳞翅目物种组成，比较森林与灌草生态系统群落差异，并验证DNA Metabarcoding在该类群多样性监测中的适用性。相关成果发表于《Ecology and Evolution》。
主要关键技术方法
研究人员于2023年6—8月在山西省庞泉沟国家级自然保护区设9个样地（森林5个：八道沟BDG、西塔沟XTG、官子峁GZM、黑牛圈HQL、猪干沟ZGG；灌草4个：横尖村HJV、大草坪DCP、康洞子KDZ、白水沟BSG），采用扫网（昼）与灯诱（夜）采集鳞翅目标本2944头，无水乙醇固定后-20℃保存。标本按体长分小（≤2.5×5 mm）、中（2.5×5~5×10 mm）、大（＞5×10 mm）三级液氮研磨并按原始质量比重组为混合样本。取腿组织用E.Z.N.A Mag Bind Soil DNA Kit提取基因组DNA，扩增COI基因313 bp片段（引物mICOIintF/jgHCO2198），建库进行Illumina双端测序。另随机选取50头标本进行常规DNA条形码（引物LCO1490F/HCO2198R）扩增及 genitalia 解剖形态学鉴定作对照。测序数据用PEAR拼接、USEARCH按≥97%相似度聚类操作分类单元（Operational Taxonomic Unit, OTU），去嵌合体与singleton后用BOLD及NCBI NT库（≥90%相似度且≥90%覆盖度）注释；用Mothur进行稀疏化处理，用vegan包做α多样性（Shannon、Chao1、Simpson等）与β多样性（Bray-Curtis、Jaccard，NMDS及PCoA）分析，ADONIS检验组间差异。
研究结果
3.1 DNA条形码、经典形态学与DNA宏条形码结果比较分析（Comparative Analysis of DNA Barcoding, Classical Morphology, and DNA Metabarcoding Results）
研究人员随机选取50号标本同步做三种方法鉴定，三者结果一致的占82%（41/50）；其余9例因形态学文献不足无法定种，但DNA条形码与宏条形码给出相同物种判定，表明宏条形码对隐存种或形态难辨种的识别具补充价值。
3.2 鉴定方法成本效益比较（Cost-Effectiveness Comparison of Identification Methods）
以每50份样本计，形态学鉴定耗时10天、成本1856元（CNY），DNA条形码耗时8天、成本3044.8元，DNA宏条形码耗时15天、成本仅385.6元，较形态学降低79.2%、较DNA条形码降低87.3%，证实其大规模监测的经济优势。
3.3 DNA宏条形码测序数据质量评估（Quality Assessment of DNA Metabarcoding Sequencing Data）
原始reads 828,704条，质控及去嵌合体后保留828,656条（保留率99.99%）。稀疏曲线先升后趋于平缓，表明测序深度足以检测绝大多数目标OTU。
3.4 分类阶元物种组成（Species Composition Across Taxonomic Levels）
OTU聚类得604个OTU，其中600个匹配到已知分类单元，共鉴定为453种、320属、31科（4个OTU未能定种）。灌草生境获总个体数占比59.5%。各样地共有优势科为夜蛾科Noctuidae、舟蛾科Notodontidae、尺蛾科Geometridae、裳夜蛾科Erebidae、蛱蝶科Nymphalidae；枯叶蛾科Lasiocampidae仅分布于森林。属水平以Phalera和Cossus丰度较高，Cossus在灌草中生境相对倍高于森林。
3.5 基于DNA宏条形码数据的α多样性分析（Alpha-Diversity Analysis Using DNA Metabarcoding Data）
各样地Goods覆盖度均为1.00。Shannon指数最高为ZGG（3.88），最低为HQL（2.94）。森林与灌草两生境间Shannon、Chao1、Simpson、Pielou均匀度、ACE等各项α多样性指标均无显著差异（p > 0.05），说明局域物种丰富度与均匀度在两生境间相当。
3.6 基于DNA宏条形码数据的β多样性分析（Beta-Diversity Analysis Using DNA Metabarcoding Data）
基于Bray-Curtis距离的ADONIS检验显示科（p=0.837）、属（p=0.55）、种水平（p=0.332）两生境均无显著差异。PCoA前两轴解释63.2%变异，森林与灌草样点广泛重叠，群落组成总体相似；个别样地（如BSG与BDG）聚为一支，部分森林内样地（XTG、GZM、HQL）分散反映微生境差异。
3.7 物种生境分布、生态功能与危害类型（Distribution in Ecosystems, Ecological Roles, and Types of Damage of Species）
文献比对显示49.9%物种曾报道为森林生态系统关联种，21.2%为林—草过渡型，15.7%为灌草生境关联种。按危害类型，食叶害虫（defoliating pests）占比最高（58.72%），其次为种子果实害虫（3.1%）等；按生态功能，98.2%为初级消费者（primary consumer）。
讨论与结论总结
讨论指出DNA Metabarcoding与传统方法具82%一致性，适合大样本快速普查，但需注意采样方式影响DNA捕获效率；夏季成虫活跃期采样可能掩盖生境间真实差异，建议补充幼虫期数据。森林与灌草生境α、β多样性无显著差异，可能与鳞翅目成虫跨生境扩散及生态交错带（ecotone）边缘效应促进物种交流有关。灌草生境个体捕获数多于森林却仅15.7%种类被文献记录为灌草特有，提示灌草生境潜在多样性被低估。食叶害虫高占比与保护区内草本层物种丰富度高为幼虫提供充足食源相关。研究建立"形态学—DNA条形码—DNA宏条形码"三位一体监测方案，对木蠹蛾科（Cossidae）等可早于常规灯诱2~3个发育阶段检出，具早期预警价值，建议在春秋两季增加采样频度。
结论（Conclusion）：研究人员应用DNA Metabarcoding在庞泉沟国家级自然保护区检出鳞翅目604个OTU（453种），森林与灌草生态系统间物种丰富度及群落组成无显著差异，灌草生境贡献59.5%个体数。夜蛾科与舟蛾科为两生境共有优势科，表明生态功能结构相似。DNA Metabarcoding保持82%鉴定准确率且成本较形态学降低79.2%。生态功能分析显示初级消费者占98%，食叶害虫为主要危害类型。研究强调应用Metabarcoding时需标准化采样策略，未来应探究采样方法与DNA捕获效率关系以提升生物多样性监测可靠性。
