环境DNA（eDNA）采样是一种经济高效的调查水生物种分布的方法。人们通常从测量得到的物种特异性eDNA浓度来估算物种密度，但eDNA的浓度容易在稀释、运输和降解过程发生变化，降低最终结果的可信度，这一问题也叫“eDNA反问题”（eDNA inverse problem）。而传统的eDNA采集和物种分布模型（SDMs）往往会忽略这一问题。



摄影：Linda ©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）


“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到来自美国康奈尔大学生态与进化生物学系的两位教授，Timothy D. Lambert和Stephen P. Ellner在Ecography上发表的一篇最新研究《物种分布模型与环境DNA：优化环境DNA采样以评估溪流网络中的物种-环境关系》（SDM meets eDNA: optimal sampling of environmental DNA to estimate species–environment relationships in stream networks）。为了解决eDNA反问题，研究人员采用了一种将物种分布模型（SDMs）与水文追踪模型（tracer model）相结合的建模框架，并将其应用于几种基本的物种分布类型和60个模拟溪流网络，旨在探索eDNA样本的最佳采集位置，和动态水文空间对eDNA的影响。下面小编将为读者们带来研究介绍。


新型eDNA采样模型的构建及优势

过去，科研人员在构建物种分布模型时，常常使用计数和捕获调查。这些方式不仅耗费大量时间精力，效率很低，而且得到的结果精度也不理想。在水生栖息地的研究中，eDNA采样技术的出现带来了新的转机，它比传统方法更快速，成本也更低。推进eDNA采样技术变革将为生态系统保护研究带来无限裨益。


在这篇研究中，作者提出了一种新型eDNA模型。新型eDNA模型同时包含了物种分布模型与水文追踪模型，并按照以下逻辑建立：一是认为物种密度与环境因子，像水温、流速、栖息地类型等，存在线性或多项式的关系；二是在此基础上，依据河流网络的水动力学（hydrodynamics of river networks）特性，比如流速、流量、DNA 衰减速等，来计算不同采样点的eDNA浓度会如何受到环境的影响。和传统的eDNA采样方法相比，新型eDNA模型有三大显著进步。


第一， 精确考量eDNA动态变化。传统的eDNA采样常常忽视空间效应对数据准确性的影响。在实际的水生环境中，水流会把上游生物的DNA带到下游，这样将导致研究人员很容易错误地判断物种的分布情况。而且，过去研究人员选择采样点时比较盲目随机，可能会多次在信息量少的区域采样，造成资源浪费。


新模型专门纳入水文追踪模型这一结构，以此详细描述eDNA在水中的动态变化过程。作者通过优化eDITH（整合eDNA传输与水文学，eDNA Integrating Transport and Hydrology）模型，充分考虑了不同水流条件，如流速、流量变化时eDNA的传播和衰减情况，精确地算出了eDNA从产生源头到采样点的浓度变化。如此一来，新型eDNA模型将得以纠正传统方法中的误差，让基于eDNA浓度估算物种密度的结果更加准确。

第二，纳入eDNA空间相关性。传统的eDNA采样模型通常假定不同采样点的误差是相互独立的，但现实并非如此。实际上，相邻的采样点很可能因为共享相同的上游来源，导致误差高度相关。例如，两处下游的采样点可能都受到同一处上游污染的影响。新模型把河流网络看作一个动态的整体系统，通过设计分层误差结构，对河流不同区域之间的空间相关性进行量化分析，从而更准确地反映实际情况。


第三，研究人员创新性地构建了D-最优采样设计（D-optimal sampling design）模型，利用这个模型能够精准筛选出最适宜的采样区域。以往在进行eDNA采样时，采样点的选择往往缺乏科学的估算方法，存在一定的盲目性。如今，借助D-最优采样设计，研究人员可以通过精确计算确定最佳采样位置。

D-最优采样设计综合考虑了多种关键因素，其中包括水文追踪模型，它能反映eDNA在水中的动态变化；河段的协变量值（reach covariate values），即分析诸如水流速度、河道宽度等与溪流河段相关的信息，对分析物种与环境的关系至关重要；还有测量误差方差，它能帮助评估数据的可靠性。通过全面考量这些因素，D-最优采样设计为eDNA采样提供了科学、精准的指导。

在影响eDNA采样和分析的众多因素里，想要得到足够精确的水文追踪模型是一项颇具挑战性的任务。研究人员通过借助eDITH模型，整合eDNA稀释、运输和损失过程的各项单独数据，来计算水文追踪模型。在这个过程中，作者发现稀释和运输过程相对而言比较容易把握。因为流量和流速这两个常见的水文变量，不仅在实际研究中经常被测量，而且它们能很好地预测稀释和运输过程。更重要的是，这两个变量在溪流网络中的变化遵循一定规律，具有可预测性，为准确计算水文追踪模型提供了便利。

实验模拟发现，最优样本常位于溪流上游或下游末端附近，此处eDNA浓度高且来源相对单一，样本还能覆盖协变量全范围。优化后的采样设计比传统基准设计效率平均提高了41.5%，减少了样本数量的同时提高了估计精度，克服了传统采样位置选择的盲目性。

新型eDNA采样模型的价值

整体研究结论表明，在利用eDNA浓度数据来推断物种与环境之间的关系时，校正eDNA的稀释、运输和衰减过程显得极为关键。因为这些过程会显著改变eDNA的浓度，若不加以校正，研究者将难以准确判断物种与环境之间的真实联系。

 

此外，eDNA采集在特定的溪流网络环境中更能发挥优势。例如，河段数量多、地理覆盖范围大的溪流网络，水流速度较为缓慢的区域，或是eDNA损失率较高的地方，都是比较理想的采集场所。

 

新型eDNA采样模型的这些创新，对水生生态系统的保护和管理意义重大。它能让人类更精准地掌握水生生物的分布和数量变化，及时发现物种生存状况的改变，为保护决策提供科学依据。通过充分运用新型eDNA采样技术，我们将能更好地评估人类活动和环境变化对水生生态系统的影响，制定出更有效的生态系统管理策略，守护水生生态系统的平衡与稳定。




上图展示了在60个模拟网络中，物种的eDNA产生率随溪流大小、地理梯度或随机栖息地变化而变化。图源：Lambert, Timothy D. and Stephen P. Ellner. “SDM meets eDNA: optimal sampling of environmental DNA to estimate species---environment relationships in stream networks”Ecography (2025). CCBY-3.0


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编译 | 王纯瑶（北京外国语大学）

审核 | Richard

排版 | Samantha


参考资料略

来源: 海洋与湿地