基于形态与DNA条形码的辽河流域着生藻类分类与生物多样性研究

As the realization of water ecological management necessitates us to meet the actual needs of rapid detection of aquatic organisms in rivers，the project uses periphytic algae as research object, combining basin water ecological function regionalization program, to study the ability to identify algae of single and combinations of the six gene fragments( cox I, rbcL, rbcSp, UPA, 28S-rDNA and ITS). We will screen and determine the core universal primers of DNA barcoding of periphytic algae in Liaohe River Basin, combining traditional morphological identification with molecular biology methods, to build image database and the corresponding DNA barcode library of periphytic algae in Liao River Basin. On this basis, using metagenomics approaches, rapid identification and biodiversity analysis of periphytic algae in Liaohe River will be conducted, to clarify the relationship between genetic diversity and species diversity of periphytic algae. Using variation trend of distribution and abundance of species as a benchmark, we will compare and analyse the relationship between genetic diversity, species diversity and water environmental factors, and carry out biological integrity assessment (P-IBI) of periphytic algae, to evaluate the effectiveness of the technique in the river ecosystem health (REH) research. The aim of the project is to provide fundamental data for aquatic organism taxonomy, biodiversity conservation and aquatic ecological environment management.

本项目针对实现流域水生态管理亟需解决水生生物快速检测的实际需求，以河流着生藻类为研究对象，结合流域水生态功能分区方案，采用传统形态学鉴定和DNA 条形码方法，研究不同条形码候选序列（cox I、rbcL、rbcSp、UPA、28S-rDNA 和ITS）在着生藻类分类中的鉴别能力，筛选并确立核心DNA条形码，构建辽河流域着生藻类实物图像库和与其对应的DNA条形码库；在此基础上，结合环境DNA metabarcoding方法和高通量测序技术，建立辽河着生藻类快速、标准化鉴定体系，比较分析基于DNA方法和传统分类方法的生物多样性结果，探明群落结构特征、生物多样性与水环境因子之间的关系，以物种分布和数量变化趋势为基准，开展着生藻类生物完整性（P-IBI）评价，探讨该技术在河流生态系统健康（REH）研究中的有效性，为流域水生生物分类、多样性保护及水生态环境管理提供科学依据。

着生藻类是河流生态系统的初级生产者，也是食物链的重要一环，可将无机营养元素转移至更高级的有机生命体，担负着物质循环和能量流动的重要任务，其群落结构及分布特征与环境因子具有显著的相关性。项目采用barcording理论和方法，筛选和确立辽河流域着生藻类核心DNA条形码序列，结合形态学鉴定，建立辽河着生藻类快速、标准化鉴定体系，探讨DNA条形码技术在河流藻类分类和生物多样性研究中的有效性。主要结果如下：. 辽河支流及干流共采集到着生藻类180种，隶属于5门47属。香农威纳指数变化范围0.95～4.82，平均值3.56。均匀度指数变化范围0.57～0.97，平均值0.88。指示种分析显示，该河段着生藻类指示种类有：小环藻、窄菱形藻和四尾栅藻。流域着生藻类群落表现出相同的结构特征，均以硅藻门种类最多，其次是绿藻门，第三为蓝藻门。 . 对辽河水环境样本的18SrRNA基因的V4可变区进行454焦磷酸测序，对获得的OTU代表性序列进行物种注释。比较注释后的生物种类信息与光学显微镜观察结果的异同，并将OTUs的代表性序列与NCBI中藻类的18SrRNA基因序列进行系统发育分析。研究共获得约167901条18SrRNA基因V4可变区的高质量序列，注释为424个OTUs，涵盖了134种着生藻类OTUs。与光学显微镜鉴别结果类似，高通量测序结果以硅藻门和绿藻门为优势类群，此外检测到轮藻门、隐藻门、定鞭藻门和金藻纲等显微镜观察结果中未有的类群。系统发育分析可在门这一分类阶元对隐藻门和甲藻门聚类，并将隐藻门在属水平进行聚类和区分，甲藻门可以在部分科或属水平聚类和区分。RDA结果显示，氨氮、活性磷和硝态氮是影响藻类群落结构特征最重要的环境因子。. 本研究为认识辽河水环境中着生藻类的多样性、群落结构及其环境影响因子提供了新的视角，同时也预示着高通量测序技术在辽河流域浮游植物监测和水环境质量指示中的应用潜力。