Improving freshwater ecosystem assessment via the integration of eDNA-based multitrophic biotic groups通过整合基于eDNA的多营养生物群来改善淡水生态系统评估研究背景作者认为只看水质或者只看一个生物类群可能无法全面评价淡水生态系统健康因此利用eDNA同时检测多个营养类群并把这些生物群落的信息整合起来评价湖泊生态健康。主要内容1.开发了一种基于eDNA的多营养生物完整性指数IBIm来评估水生生态健康2.与仅依赖单一分类群或水质的指标相比IBIm在检测生态退化方面表现出更高的敏感性。样本采集在中国江淮流域40个湖泊的98个采样点同时采集了水和沉积物样品。得到了98个水样品和80个沉积物样品。每个样点取3L。用0.22μm滤膜过滤直至过滤器堵塞。水质物理化学指标测定pH值、浊度TUR、溶解氧DO、水温WT和水的透明度SDSecchi盘测定实验室指标测定总氮TN、总磷TP、铵态氮NH4、亚硝酸盐氮NO2-、主要离子Ca2、Mg2、Cl-、SO42-和叶绿素aChl-a营养状态指数TSI使用TN、TP、Chl-a和SD计算以表征每个地点的营养状况使用针对不同遗传标记的四组引物来表征细菌、真菌、真核藻类和无脊椎动物使用引物 515F/806R 扩增细菌16S rRNA基因的 V4 区使用引物 gITS7F/ITS4R 扩增真菌 ITS2 区使用引物 1380F/1510R 扩增真核 18S rRNA 基因的 V9 区以靶向真核藻类蓝藻除外使用引物 mlCOIntF/gHCO2198 扩增线粒体细胞色素氧化酶亚基ICOI基因的313 bp片段以靶向无脊椎动物。数据库SILVA v138.1 搜索细菌UNITE 2024.04.04搜索真菌SILVA 和 PR2 搜索真核藻类BOLD 和 MIDORI2 搜索无脊椎动物① 细菌代表分解者② 真菌同样与分解、物质循环有关。③ 真核藻类代表初级生产者④ 无脊椎动物代表消费者所以作者想建立的是分解者 生产者 消费者这样才能覆盖淡水生态系统不同的营养层次。分类群和WQI水质等级之间的对应关系。文章明确将 WQI ≥ 85 定义为 Excellent70–85 为 Good50–70 为 Moderate多营养综合生物完整性指标IBIm工作流程Hub taxa关键类群也就是在群落网络中具有重要连接作用的关键分类群。第二步指标筛选和标准化Correlation analysis相关性分析Multicollinearity test多重共线性检验Sensitive metrics敏感指标(I)对生态环境变化比较敏感的指标。哪些生物指标能够更好地区分不同生态健康状态Sensitivity Index敏感性指数SI也就是把不同的原始敏感指标I转换成一个可以比较的尺度。第i个生物类群对应的生物完整性指数。第三步分别建立不同生物类群的IBI图中展示不同生物类群的 IBIBiological Integrity Index生物完整性指数得分在所有采样样本中的分布情况。真菌IBI大多数样本集中在评分40-60左右生物完整性较低无脊椎动物大多数样本的IBI评分在80-95左右评分比较高。第四步多营养级生物完整性指数公式的意思是把不同生物类群的IBI按照一定权重进行整合代表第i个生物类群的IBI。Ri代表这个生物类群的权重。所以最终这就是多营养级综合生物完整性指数。核心作者先利用理化指标建立水质评价WQI同时利用eDNA获得细菌、真菌、藻类和无脊椎动物的α多样性、群落组成及关键分类群等生物信息随后筛选对生态环境变化敏感的生物指标并进行标准化分别构建各生物类群的IBI最后按照各类群权重将多个IBI整合为多营养级生物完整性指数IBIₘ从而实现对淡水生态系统健康状况的综合评价。IBIm与WQI之间的相关分析线性回归分析1.所有单一分类群IBI和IBIm与WQI呈正相关与TSI呈负相关。TSI营养状态指数Trophic State IndexTSI越高水体营养状态越高/富营养化程度越明显。2.随着水体营养状态升高、富营养化程度增强IBIₘ呈下降趋势不同营养类群的IBIm一致性IBI与水体环境质量指标之间的关系左边单营养群IBI与综合营养级IBIm的Spearman相关分析1.综合 IBIₘ 与各单类群 IBI 都呈较强正相关说明不同生物类群的生态完整性具有一定一致性多营养级整合具有合理性而不同单类群之间的相关性相对较弱右边IBI与环境因子的Spearman相关分析2.所有IBI与WQI呈显著正相关IBI与TSI营养状态指数Trophic State Index呈显著负相关表明生物完整性能够较好地响应水体整体生态质量和营养状态WQI和TSI从两个不同角度共同验证了IBI对水体生态环境变化的响应。3.所有IBIₘ与TP、TN等营养盐呈显著负相关说明较高的营养盐水平与较低的生物完整性相伴随较高的营养盐水平可能与水体生态退化和富营养化过程相关进一步表明eDNA获得的生物群落信息具有潜在的生态环境指示价值。多营养IBI与所有这些环境因素显著相关并且通常表现出比任何单一分类群IBI更强的相关性。因此单一生物类群可能只能反映水生态系统某一方面的信息而多营养级整合能够提供更加综合的生态完整性评价。生物完整性指数IBIₘ和β多样性生物群落组成差异之间的关系IBIₘ的变化是否能够反映群落组成的变化Mantel检验a水体b沉积物 r 代表相关程度统计显著 ≠ 相关性强。横坐标IBIₘ changes是两个样品之间IBIₘ的差异程度例如有两个样品样品AIBIₘ 70样品BIBIₘ 75那么两个样品的IBIₘ差异就是∣70−75∣5如果样品CIBIₘ 90那么A和C之间的差异就是∣70−90∣20因此横坐标越大 → 两个样品之间的IBIₘ差异越大。纵坐标是Bray-Curtis群落不相似性它反映两个样品的群落组成有多不一样。1.在水体和沉积物中IBIₘ差异总体与细菌、真菌和无脊椎动物群落的Bray-Curtis不相似性呈显著正相关而与藻类群落不相似性的相关关系不显著。IBIₘ的变化在一定程度上能够反映多营养类群β多样性/群落组成的变化。生物完整性指数IBIₘ和β多样性贡献程度LCBD之间的关系一个样品的IBIₘ越高这个样品的群落组成是不是越独特LCBD局部β多样性贡献率表示某一个样品的群落组成在多大程度上“贡献”了整个研究区域的β多样性。1.在水体中仅真菌群落的LCBD与IBIₘ呈显著正相关其余类群均未表现出显著关系2.沉积物中真菌、真菌藻类与无脊椎动物群落的LCBD与IBIₘ具有较明显的正向关系。LCBDLocal Contribution to Beta Diversity局地对β多样性的贡献简单理解一个湖泊的生物群落是不是“很独特”举例假设有10个湖其中9个湖的鱼类、藻类、细菌群落都非常相似。但是湖10的生物组成和其他湖完全不一样那么湖10的LCBD很高。它是一个具有独特生物群落的湖泊。文章发现一个非常有意思的现象IBIm越低的湖泊其LCBD也越低。生态退化越严重↓生物群落越不独特↓不同湖泊之间越来越相似这就是生物同质化biotic homogenizationRDA冗余分析Redundancy Analysis不同生物类群的群落组成变化到底与哪些环境因子有关加入生物完整性指数IBI之后能不能更好地解释群落组成变化a只使用理化环境因子的RDAb同时加入生物完整性指数和理化因子箭头代表环境变量箭头指向哪里就表示这个方向上的样品与该环境因子的关系更强。箭头越长通常说明该变量对排序结果的解释作用越强。1.单纯使用理化环境变量只能解释部分群落组成变化而加入生物完整性指标后对不同生物类群群落结构的解释能力得到不同程度的提高真菌群落和无脊椎动物群落的解释能力提升比较明显。基于IBI的湖泊生态健康评价用传统水质指数 WQI 评价湖泊时湖泊整体状况看起来比较好但加入不同生物类群的生物完整性指数IBI后不同生物类群给出的生态健康评价存在明显差异。1.几乎所有的IBI评分都一直低于WQI除了无脊椎动物的IBI这表明生物完整性评估比物理化学评估更保守2.sankey图体现了不同评价指标对湖泊生态状态的判断存在明显差异说明单一水质指标难以全面反映湖泊生态系统的生物完整性多营养级生物指标能够提供更加综合的生态健康信息。不同区域的IBI生物完整性指数基于理化水质指标的评价结果整体上较基于生物完整性的评价更为乐观。同时基于IBIₘ的湖泊生态状态主要分为良好和中等两个等级并呈现一定的空间异质性说明传统水质指标与生物群落响应所反映的生态状态并不完全一致。eDNA不仅可以用于物种检测还可以从群落组成、α多样性等层面提取生物信息并进一步分析这些生物指标与环境因子的关系。