图1. eDNA检测冰川融水系统多类群生物多样性组成和群落变化。
冰川储存着全球约75%的淡水资源，在调节区域水文和气候方面发挥关键作用。受气候变暖的影响，全球冰川呈现出不断退缩、加速消融的现象，可能严重影响冰川流域的水生态系统。但是冰川系统通常地处偏远、环境严酷，使用传统形态鉴定方法进行全面的冰川水系生物群落调查极为困难，因此尚不清楚冰川流域多种类型的水体栖息地中不同生物类群的空间分布和组成变化。水体eDNA能够全面反映水中及周边环境生存的生物信息，为研究极端环境生物多样性提供了极大便利。
本研究以青藏高原东南部的雅鲁藏布江支流帕隆藏布源头区域，以帕隆4号基准冰川（典型山谷冰川）及其下游的然乌湖（藏东南外流湖区的第二大湖泊）为研究地点，从冰川前缘沿融水溪流至湖泊沿岸进行水体采样和eDNA分析，利用多组分子标记eDNA宏条形码（eDNA metabarcoding）方法，探究了不同形态及生活史特征、环境适应性和营养级功能的四大生物类群的多样性组成和分布。这四个生物类群包括：蓝细菌（原核生产者）、硅藻（真核生产者）、无脊椎动物（小型低营养级消费者）和脊椎动物（大型高营养级消费者）。
通过扩增四个生物类群的特定DNA条形码区段，并结合高通量测序，共检测到了检测到642个分类单元（OTU），其中包括125个蓝细菌OTUs，316个硅藻OTUs，183个无脊椎动物OTUs和18个脊椎动物OTUs。
从冰川前缘沿融水溪流到下游的湖泊位点，四个类群的α多样性均随地理距离的增加而显著增加（图2）。基于硅藻物种的水体营养指数IDP显示，不同位点的水体富营养化程度也呈现从上游到下游的上升趋势。冰川前缘的低IDP值表明水体营养水平低，水质好，而湖泊样品的IDP值较高，特别是湖泊下游样品，表明水体营养水平高，水质较差（图2）。与冰川前缘相比，湖泊位点较高的IDP值也与相应样本中检测出较高的家畜eDNA信号相关。
图2 冰川前缘（Proglacier；PL01-PL05）和湖泊（Lake；RW01-RW11）位点不同生物类群OTU的α多样性变化。
群落组成结果显示，蓝细菌在冰川前缘、溪流和湖泊的全部位点均有检出；硅藻除冰川前缘之外的全部溪流及湖泊位点中检出；无脊椎动物仅在冰川前缘和最后一个溪流位点及湖泊位点中检出；而脊椎动物仅在湖泊位点中检出，在全部冰川前缘及溪流中均未检出（图3）。不同类群沿冰川融水系统的渐次出现反映了其不同的环境适应性和营养需求。其中，蓝藻科（Cyanobiaceae）、脆杆藻科（Fragilariaceae）、鳞翅目（Lepidoptera）以及鲤科（Cyprinidae）分别是四个类群的优势物种，而冰川溪流与湖泊的物种组成呈现出较大差异。
图3. 冰川前缘和湖泊不同位点四个生物类群eDNA的相对序列丰度。空缺显示相应样品未检测到该类群的eDNA。
对于所有的生物类群，周转（turnover）成分主要解释了不同位点间整体的β多样性；进一步，群落组成变化相关环境因素分析显示不同生物类群的组成与环境变量间呈现出类群特异模式。
此外，利用iCAMP方法对蓝细菌、硅藻以及无脊椎动物的群落组装机制进行了评估，结果显示不同的生态过程（选择、扩散及漂变等）对不同生境和生物类群群落组装的贡献存在明显差异（图4）。
图4. 冰川融水溪流和湖泊生境中不同生物类群的群落组装机制分析。
综上，该研究首次揭示了冰川融水系统在极小空间尺度上蓝细菌、硅藻、无脊椎动物和脊椎动物的渐次出现，显示生物群落随生物和非生物环境的变化发生从简单到复杂的快速空间演替，同时研究结果为理解各类群中不同物种的环境适应性和生境选择提供了信息。冰川补给水系统的高度异质的群落组成突出了冰川影响下生态系统的复杂性和动态性，未来更为全面细致的研究将有助于预测环境变化下冰川生态系统过程、稳定性和功能的趋势。
论文第一作者陆琪在帕隆冰川前缘采集水样
青藏二次科考微生物专题野外考察团队
北京大学生命科学学院博士后陆琪为本论文的第一作者，生态研究中心姚蒙副研究员为论文的通讯作者。兰州大学泛第三极环境中心刘勇勤教授团队、中国科学院南京土壤研究所褚海燕研究员和张丽燕博士为本研究提供了大力支持。该研究得到了青藏二次科考项目、国家自然科学基金、科技部基础资源调查项目等的资金支持。