《Metabarcoding & Metagenomics》：Community DNA outperforms eDNA metabarcoding for biodiversity assessments in the Clarion–Clipperton Fracture Zone
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為評估深海采礦背景下底棲生物多樣性監測的最佳分子策略，本研究對比了從底棲后生動物中提取的群落DNA（ComDNA）與從全沉積物提取的沉積物環境DNA（SedDNA）兩種方法。在克拉里昂-克利珀頓斷裂帶（CCZ）應用18S V1–V2 rRNA標記的分析表明，ComDNA在OTU豐度、α和β多樣性方面顯著優于SedDNA，并估算了達到相近生物多樣性覆蓋度所需的沉積物體積。研究結果為建立標準化、高效的深海采礦環境影響評估監測方案提供了關鍵方法學指導。
深海底棲環境是地球上面積最大的生態系統，覆蓋了超過60%的星球表面。然而，這片廣袤而偏遠的區域正面臨著越來越多的人為壓力，其中最具爭議的當屬對深海多金屬結核的采礦活動。克拉里昂-克利珀頓斷裂帶（CCZ）蘊藏著估計達210億噸的結核，是未來采礦的主要目標區域。采礦活動，無論是直接移除結核和表層沉積物，還是作業產生的沉積物羽流再沉降，都可能對底棲生態系統造成中度到重度的沖擊。為了評估和監測這些影響，準確評估底棲生物多樣性至關重要，特別是對豐度最高的后生動物——小型底棲動物而言。
然而，深海環境監測的傳統形態學鑒定方法耗時長、成本高，且極度依賴稀缺的分類學專家。相比之下，環境DNA（eDNA）宏條形碼技術提供了一種快速、高通量的解決方案。但DNA的提取策略（是直接從沉積物中提取總DNA，還是先從沉積物中分離出生物體再提取其DNA）會顯著影響評估結果，而這兩種方法在深海小型底棲動物群落評估中的表現尚未得到充分評估。這引出了一個核心問題：在CCZ這樣具有高度空間異質性的深海環境中，哪種DNA提取策略能更準確地反映底棲后生動物的多樣性？為了回答這個問題，研究人員比較了兩種提取策略——從分離的底棲后生動物中提取的群落DNA（ComDNA）和從全沉積物中直接提取的沉積物eDNA（SedDNA）。
研究人員在2018年的SO262航次中，于CCZ的BGR合同區北部采集了19個站位的短沉積物巖心。對于SedDNA分析，從每個巖心頂部0-3 cm處采集2.35 mL的沉積物樣品，并切成1 cm厚的三層分別分析。對于ComDNA分析，則從每個巖心的頂部0-3 cm（約217 mL沉積物）中提取小型底棲動物。隨后，使用靶向18S rRNA基因V1–V2區的通用引物對進行PCR擴增，分別構建ComDNA和SedDNA測序文庫，在Illumina MiSeq平臺上進行測序。測序數據處理后，將擴增子序列變體（ASV）在97%相似度下聚類為操作分類單元（OTU），以比較兩種方法在OTU豐富度、α和β多樣性、分類組成等方面的表現。此外，研究還通過隨機亞采樣組合模型，估算了SedDNA需要處理多大體積的沉積物才能達到與ComDNA相當的OTU豐富度。
序列數據與多樣性分析結果：在去除嵌合體和單例ASV并進行分類學過濾后，ComDNA數據集獲得了2,145個后生動物OTU，而SedDNA數據集僅獲得392個OTU，兩者僅有1.2%的OTU是共有的。α多樣性分析（如OTU豐富度、香農指數）顯示，ComDNA顯著高于SedDNA。物種累積曲線也表明，ComDNA樣品的OTU積累速度遠快于SedDNA。
沉積物樣本量估計：研究通過隨機組合不同數量的SedDNA樣本，模擬OTU豐富度的積累。通過線性模型和米氏方程模型進行估算，結果取決于測序深度。例如，在測序深度為100,000條讀長時，米氏模型估算需要處理約38.8 mL的沉積物，才能達到ComDNA樣本的平均OTU豐富度。這表明，通過增加單次處理（而非組合多個樣本）的沉積物體積，可以顯著改善SedDNA的檢測性能。
群落組成與結構比較：非度量多維尺度分析顯示，基于Bray-Curtis和Jaccard距離，ComDNA和SedDNA的底棲群落結構存在顯著差異，形成了兩個獨立的集群。配對PERMANOVA分析證實，提取策略對群落組成有極顯著影響，而采樣位置的影響則不顯著。在門水平上，兩種方法檢測到的優勢類群類似，都以環節動物門、線蟲動物門和節肢動物門為主，但相對豐度和OTU貢獻度存在差異。例如，在ComDNA中，線蟲是OTU豐富度最高的門，而在SedDNA中則是環節動物。有4個門（半索動物、鎧甲動物、毛顎動物和內肛動物）僅在ComDNA樣本中被檢測到。韋恩圖進一步凸顯了兩種方法檢測到的OTU重疊度極低，絕大多數OTU（84.3%的ComDNA OTU和14.4%的SedDNA OTU）是方法特異的。
討論與結論：本研究清晰地表明，在評估CCZ深海底棲后生動物多樣性方面，基于分離生物的ComDNA提取策略在分類學分辨率和OTU檢出率上顯著優于直接從沉積物中提取eDNA的SedDNA策略。ComDNA通過富集目標生物并減少非目標DNA和PCR抑制物的干擾，提供了更高分辨率的生物多樣性評估。而SedDNA雖然處理更快、污染風險更低，但受限于樣品體積小、空間異質性高以及大量非目標DNA的干擾，導致其OTU檢出率偏低。
盡管如此，研究也指出了優化SedDNA協議的潛力。通過增加單次處理的沉積物體積（建議根據測序深度和處理方法，處理27-82 mL）、對沉積物進行充分均質化以克服小尺度空間異質性、以及將每個樣品的測序深度提高到至少100,000條讀長，可以顯著提升SedDNA在多樣性評估中的表現。這些發現為在深海采礦環境影響評估的背景下，開發標準化、可擴展且高效的生物多樣性監測策略提供了至關重要的方法學指導。該研究發表于《Metabarcoding》期刊，強調了在制定監測方案時，需要根據具體的研究目標（如高分辨率普查 vs. 大范圍快速篩查）和可用資源，在ComDNA的高信息量與SedDNA的高通量之間做出權衡。
