DNA🧬宏条形码技术解析濒危物种黑脸琵鹭的食性分析
DNA🧬 metabarcoding reveals the dietary composition in the endangered black-faced spoonbill
作者：PeiYu Huang等
期刊：Scientific Reports
时间：2021-9-21
影响因子：3.8
DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-021-97337-w
摘要本研究采用DNA🧬宏条形码技术解析了濒危迁徙水鸟黑脸琵鹭食性组成的时空差异与多样性特征。通过对湿地采集的110份越冬期粪便样本进行分子食性分析。结果表明，该物种具有广谱食性，摄食类群涵盖辐鳍鱼纲和软甲纲至少26个物种，其中鲻形目、慈鲷目和鰕虎鱼目为主要食源。研究进一步揭示了不同栖息群组间的时空分异模式及种内个体差异，这些差异可能反映其摄食行为特征及对复合湿地系统内不同生境类型的利用策略。本研究验证了非侵入性分子检测技术在黑脸琵鹭核心食物资源研究中的应用，该方法亦可为其他水鸟物种的保护提供重要科学依据。
实验方法1.采样点
基围10（GW10-MP）
基围21（GW21-MP）
落马洲Lok Ma Chau (LMC)
2.引物信息
3.技术路线
图1. 技术路线
4.数据分析
获得的数据经分析后总结为三个膳食指标：
（i）相对序列丰度（Relative read abundance，RRA）：样本中每个分类单元的读取计数百分比；
（ii）加权出现百分比（Weighted percentage of occurrence，wPOO）：样本中每个分类单元的出现百分比；
（iii）出现频率（Frequency of occurrence，FOO）：检测到分类单元的样本比例。
研究结果1. 基于RRA、wPOO和FOO的数据分析，黑脸琵鹭的食物具有高度的多样性和变异性
黑脸琵鹭的主要食物来源于辐鳍鱼纲和软甲纲。18S数据表明，辐鳍鱼纲（74.6% RRA，100% FOO）和软甲纲（15.2% RRA，73.6% FOO；主要为十足目和对虾属）是丰度最高且最常检出的类群，其次是扁形动物（RRA 8.5%，FOO 40.9%）。
12S数据显示，鲻形目（RRA 42.6%）、慈鲷目（RRA 37.3%）及鰕虎鱼目（RRA 18.1%）占全部鱼类数据的98%（图2d）。具体物种中，鲻、鲻属、罗非鱼属丰度最高（RRA 21.2–34.5%，FOO 59.4–66%），其次为鰕虎鱼类（RRA 2.5–10.4%，FOO 10.4–32.3%）、罗非鱼属（RRA 2.8%，FOO 27.1%）及鲫属（RRA 1.1%，FOO 6.3%；图2d）。
图2.黑脸琵鹭粪便样本中检测类群的组成分析
图2. 黑脸琵鹭粪便样本中检测类群的组成分析
基于(a,b) 18S(n=110)和(c,d) 12S(n=96)宏条形码数据，分析了所有检测类群的加权出现百分比(wPOO)和相对序列丰度(RRA)。色块代表：通过18S rDNA🧬从40个分类类群中归纳的15个后生动物类群（属或更高分类水平），以及12S rDNA🧬检测到的14个主要鱼类类群（种或更高分类水平）。其余15个次要鱼类类群（RRA或POO <1%）归为“其他”。
2. 基于RRA、wPOO和FOO的数据分析，同一栖息地栖息群的个体通常倾向于在猎物组成相似的生境中觅食，不同栖息群组间食性结构存在显著差异。
同一栖息地栖息群的个体通常倾向于在猎物组成相似的生境中觅食。例如，基围21（GW21-MP）群体中多数个体几乎完全依赖辐鳍鱼纲为食，其中口孵非鲫属占其食物组成的86.3%（图3b）。不同栖息群组间食性结构存在显著差异：基围10（GW10-MP）群体以辐鳍鱼纲（RRA 62.1%）和十足目（RRA 28.4%）为主，其食谱呈现高度多样性，其中鲻形目为优势成分（FOO 89.2%）；而落马洲3月（LMC-Mar）群体则几乎完全摄食鱼类（RRA 98.7%），且未见甲壳类摄入（RRA <0.01%），其中慈鲷目占绝对优势（RRA 64.3%，FOO 100%）。
图3. 通过(a) 18S rDNA🧬 (n = 110) 和(b) 12S rDNA🧬标记 (n = 96) 检测黑脸琵鹭粪便中的类群比例。
图中展示了黑脸琵鹭粪便样本中检测到的各类群的加权出现频率百分比（上图）及相对序列丰度（下图）。图示柱状图分别表示：基于18S rDNA🧬的15个后生动物类群（属或更高分类水平），以及通过12S rDNA🧬标记检测到的29种鱼类（种或更高分类水平）
3. 基于RRA、wPOO和FOO的数据分析，同一采样地不同时间的栖息群之间的饮食组成存在差异
黑脸琵鹭作为广食性物种，其食性组成在越冬期呈现显著时间异质性。落马洲（LMC）1月种群的十足目摄入量显著高于3月种群。值得注意的是，3月种群中鰕虎鱼类在食源组成中完全未被检出，而该类群在1月种群食源较高。这种摄食策略的季节性转变可能源于两种生态过程：其一，越冬不同阶段个体为应对资源波动而进行的栖息地选择迁移；其二，鰕虎鱼类在1月其觅食区域内的生物量峰值可能形成短时营养热点。
图4. 通过(a) 18S rDNA🧬 (n = 110) 和(b) 12S rDNA🧬标记 (n = 96) 检测黑脸琵鹭粪便中的类群比例
图中展示了黑脸琵鹭粪便样本中检测到的各类群的加权出现频率百分比（wPOO）（上图）及相对序列丰度(RRA)（下图）。图示柱状图量化展示了基于18S rDNA🧬的15个后生动物类别（在属或更高的分类级别）和12S rDNA🧬标记检测到的29种鱼类（在物种或更高的分类级别）。
4. 基于RRA、wPOO和FOO的数据分析个体间的饮食差异
个体间已鉴定分类单元的加权出现百分比（wPOO）未呈现显著差异（图4a），但相对序列丰度（RRA）却展现出明显的分类群特异性分布特征，其中辐鳍鱼纲与十足目的RRA差异尤为显著。进一步分析显示，在栖息群内部个体间，各鱼类分类单元的wPOO与RRA同样存在高度异质性（图4b）。具体而言，在基围10（GW10-MP）的54个样本中，74.1%样本的RRA优势种群为鲻属与鮻属，其相对序列丰度占比达60.2%-100%；另有16.7%（9/54）样本则以口孵非鲫属为优势种（50.4%-97.1% RRA）。在基围21（GW21-MP）的8份样本中，75%（6/8）样本显著富集口孵非鲫属（74.9%-99.7% RRA），剩余样本则呈现非鲫属与鮻属的混合优势特征。值得注意的是，落马洲（LMC）1月份样本中有73.3%（11/15）以子陵吻鰕虎鱼为绝对优势种（61.4%-100% RRA），其余样本仍以口孵非鲫属为主导。这种优势格局在3月份的LMC样本中更为显著，89.5%（17/19）样本的口孵非鲫属RRA占比达到57%-100%（图4b）。
结论本研究通过非侵入性DNA🧬宏条形码技术（18S/12S rRNA），首次揭示濒危物种黑脸琵鹭食性存在显著的时空差异与种内个体差异：不同栖息群因利用异质性湿地生境而呈现差异化摄食策略；个体层面则表现出广谱性与特化性共存模式，表明营养生态位分化可能缓解种内竞争。研究证实复合湿地系统的生境多样性是维持水鸟食物资源的关键，并构建了基于非侵入性采样方式食性分析方法，为濒危物种食性解析及保护性管理（如本土食源增殖、入侵种控制）提供了高灵敏度方法论支持。
