基于环境DNA的湖泊型水体鱼类多样性研究

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湖泊型水体包括自然湖泊、人工水库等,以静水生境为主。我国湖泊型水体数量众多、分布广泛、类型多样。本研究选取了我国东部平原四个典型湖泊型水体——鄱阳湖、白洋淀、密云水库和雁栖湖(北台上水库),分别作为大型/中小型自然湖泊和人工水库的代表水体。利用环境DNA(Environmental DNA,e DNA)方法对其鱼类物种组成、α多样性、β多样性、功能多样性及多样性分布特点等进行了较为深入的研究,在比较分析不同水体e DNA采样和实验方案的基础上建立了适用于我国湖泊型水体的推荐方案。建议每个采样点采集1 L水样品且进行3个平行重复,以采集表层水为主,采样点覆盖区域内主要微生境;推荐使用0.45μm混合纤维素酯(MCE)膜过滤水样品,进行e DNA富集,采用低温法进行保存;推荐使用DNeasy血液组织DNA提取试剂盒进行DNA提取,首选鱼类12S r RNA作为分子标记进行PCR扩增,使用Illumina测序平台进行高通量测序,并利用Trimmomatic 0.32、QIIME2、NCBI-Blast等软件和分析平台进行序列分析和物种比对。在推荐方案的基础上,根据不同水体具体环境条件,对采样点选择、过滤膜数量确定、DNA提取和PCR扩增的关键步骤进行了改进和优化,以获得更高浓度的e DNA样品,降低实验过程中干扰因子对结果的影响。基于e DNA在鄱阳湖北部湖区检测到鱼类57种,隶属于5目11科35属;白洋淀检测到24种,隶属于3目6科21属;密云水库检测到19种,隶属于4目5科16属;雁栖湖检测到29种,隶属于5目8科24属。鄱阳湖、白洋淀、密云水库和雁栖湖的e DNA检测结果与传统鱼类调查结果较为接近,且均能检测到传统调查方法未检测到的属或种。根据e DNA对四个水体的鱼类α多样性结果分析,马格列夫指数(Margalef Index)高低表现为鄱阳湖>雁栖湖>白洋淀>密云水库,这与四个水体的物种丰富度高低结果相一致;香农-威纳指数(Shannon-Wiener Index)和辛普森指数(Simpson Index)高低均表现为雁栖湖>密云水库>鄱阳湖>白洋淀;皮诺均匀度指数(Pielou_evenness Index)高低表现为密云水库>雁栖湖>鄱阳湖>白洋淀。根据分析结果显示,鄱阳湖的α多样性指数均高于白洋淀,推测可能是由于相较于白洋淀,鄱阳湖水面宽阔且与长江连通,为鱼类提供较为适宜的生存环境;雁栖湖的Margalef、Shannon-Wiener和Simpson指数均高于密云水库,推测可能是由于相较于密云水库,雁栖湖内水生植物更为丰富且生境异质性较高。从β多样性层面分析,鄱阳湖的鱼类群落组成与其他三个水体存在显著差异,这可能是由于鄱阳湖属于长江水系,与其他三个属于海河水系的水体在地理位置和气候环境上均存在明显差异,使得鱼类群落组成表现出不同。鱼类功能多样性分析结果显示,作为自然湖泊,鄱阳湖的鱼类功能丰富度(Functional Richness,FRic)和功能离散度指数(Functional Dispersion,FDis)均显著高于白洋淀,与鄱阳湖鱼类物种丰富度更高和功能性状更丰富有关;且白洋淀经历过多次干淀,经人工生态修复后鱼类群落主要以经济鱼类为主,使得群落功能相对简单。对于人工水库,雁栖湖的各功能多样性指数均高于密云水库,表现出更高的生态系统稳定性。四个水体的α多样性指数与功能多样性指数间的相关性结果表明,鄱阳湖和白洋淀的功能离散度和二次熵(Rao’s Quadratic Entropy,Rao)指数与α多样性指数间均显著正相关,功能趋异(Functional Divergence,FDiv)指数与Shannon-Wiener、Simpson和Pielou_evenness指数均显著正相关,其中白洋淀的功能丰富度指数与Margalef指数极显著正相关;密云水库仅功能丰富度指数与Shannon-Wiener、Simpson和Pielou_evenness指数显著正相关;雁栖湖功能离散度和二次熵指数与ShannonWiener、Simpson和Pielou_evenness指数极显著正相关;四个水体的功能均匀度指数与α多样性指数间均不存在相关性。对鄱阳湖北部湖区鱼类多样性的深入分析表明,鱼类区系以鲤形目鲤科为主,表现出长江流域和我国淡水鱼类区系的共同特点;仅检测到宜昌鳅鮀Gobiobotia filifer一种长江特有种类。物种组成以定居型为主,共34种,占物种总数近60%;洄游性鱼类6种,均为鄱阳湖主要的江湖洄游性鱼类。体型上以小型鱼类为主,共35种,超过检测到鱼类总数的60%;产卵类型上以产沉性卵的鱼类为主,占物种总数的三分之一。为了解鄱阳湖北部湖区鱼类多样性的分布特点,根据拟建设的鄱阳湖水利工程位置,将该区域分为湖区(1-21号采样点)、坝前区(22-32号采样点)和坝下区(33-45号采样点)三个分区。基于GIS的各分区鱼类物种密度结果表明,湖区的物种密度最高,坝前区和坝下区的鱼类密度差别不明显,推测主要是由于湖区水面开阔,更接近湖泊环境,可为湖泊鱼类提供更为适宜的生存条件。从物种组成分析,在三个分区均有分布的鱼类物种共48个,占物种总数的84.21%;产漂流性卵的鱼类主要集中分布在湖区。根据α多样性结果显示,Margalef指数表现为坝下区>湖区>坝前区,与物种丰富度结果相一致。Shannon-Wiener、Simpson和Pielou_evenness指数表现为坝前区>湖区>坝下区,与物种丰富度呈相反趋势,与传统调查方法结果部分一致。从β多样性层面分析,鄱阳湖北部湖区三个分区的鱼类群落组成无显著差异,推测可能是由于从湖区到坝下区呈现湖泊环境到河流环境的连续性变化,生境差别不明显。各分区鱼类功能多样性结果表明,坝下区和湖区的功能丰富度指数均高于坝前区,推测是由于坝下区和湖区的鱼类物种数均高于坝前区,鱼类功能特征数量较多使得功能丰富度更高。坝前区的功能离散度和功能均匀度指数均高于其他两个分区,可能是因为坝前区内占据不同生态位的鱼类数量相对平衡,物种间竞争较弱,使得生态系统更稳定;且坝前区的大型肉食性和杂食性鱼类序列相对丰度较高,与小型杂食性鱼类对饵料生物的竞争相对较弱,使得鱼类群落结构更稳定。考虑到鄱阳湖北部湖区是整个湖泊唯一的通江水道,鱼类物种所占比例较高,且是江湖洄游性和产漂流性卵鱼类的主要栖息水域,建议加强对鄱阳湖北部湖区鱼类资源保护。随着鄱阳湖十年禁渔政策的颁布,应尽快加强对水生生物的常规性监测,且将e DNA作为常规监测手段,以解决禁渔期间不能开展传统渔具调查的问题。水坝的修建会改变北部湖区的自然环境,可能会带来水位上升、洄游通道阻断等生境改变,对栖息于该区域的定居型、江湖洄游性和产漂流性卵鱼类均会带来不同程度的影响,建议在工程规划阶段应开展鄱阳湖水利工程建设对水生生物资源和生态系统影响的深入研究,科学评估工程对湖区生态环境的影响,为工程建设的合理规划提供科学依据和有用建议。
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