比较DNA宏条形码法与光学显微镜以识别波罗的海、卡特加特和斯卡格拉克的真核浮游植物

为何微小的海洋植物重要

在波罗的海及其邻近水域，称为浮游植物的微观植物群落是海洋食物网的基础并影响水体质量。掌握哪些物种存在以及它们随时间如何变化，对于发现有害藻华、理解气候影响和渔业管理至关重要。本研究探讨一种现代的基于DNA的技术是否可以补充许多监测项目仍在依赖的长期显微镜监测方法。

同一群落的两种不同视角

几十年来，专家通过在光学显微镜下观察保存的水样来识别浮游植物，仔细计数细胞并根据形态匹配物种。这种方法提供了直接的目视证据，但需要专家时间，并可能遗漏非常小或脆弱的细胞。DNA宏条形码法提供了另一条路径：通过过滤海水、提取全部遗传物质并测序在多种生物间共享的标记基因，研究者可以根据DNA特征推断哪些类群存在，即使这些细胞过小或外观相似无法用肉眼区分。

具有盐度变化的自然试验场

波罗的海、卡特加特和斯卡格拉克构成了一个互通的系统，具有强烈的盐度梯度，从北部博特尼湾几乎淡水的条件到斯卡格拉克的完全海水条件不等。这种多样性包含了淡水和海水浮游植物的混合，使得仅凭形态进行识别尤为具有挑战性。研究团队在2019年初到2020年初期间沿该梯度的17个站点采集了232个表层水样。每个样本都用两种方法检查：传统的Utermöhl显微镜方法和针对真核微生物常用标记的18S核糖体RNA基因的DNA宏条形码测序。

DNA揭示的显微镜可能遗漏的内容

总体而言，DNA宏条形码检测到的目、属和种远多于显微镜。例如，它检出许多难以或无法通过形态辨认的小细胞类群，如若干微小的甲藻和顶藻类。两种方法在最常见属的存在性上有43%的重合，但各自也发现了对方未检出的群体。有些物种仅出现在显微镜计数中，常常是因为公共数据库中仍缺乏或不完整的DNA参考序列。另一些物种仅出现在DNA数据中，尤其是在那些在显微镜下往往被归入宽泛类别的极小生物中。

计数细胞与衡量生物量

研究者还探讨了DNA序列计数是否可以替代实际丰度指标。他们尝试了几种对序列数据归一化的方法，包括使用外加的合成DNA作为参考以及按总DNA浓度调整。当将这些指标与显微镜估算的细胞数、细胞尺寸（生物体积）和碳含量比较时，整体匹配程度普遍较弱，并在分类群与区域之间存在差异。有趣的是，DNA结果与碳含量和生物体积的对应优于与简单细胞计数的对应，这表明基因拷贝数可能更随细胞大小而非个体数量变化。即便如此，没有任何归一化方法能在整个数据集中可靠地将DNA读取数转换为绝对生物量。

两种方法如何协同工作

尽管存在定量上的局限，DNA宏条形码法对若干主要浮游植物类群表现出比显微镜更好的可重复性，并捕捉到了沿盐度梯度清晰的群落区域性格局。它还突出了一些在常规计数中难以准确识别的潜在有害藻华形成类群。作者得出结论：在长期监测中，尤其是需要精确生物量估算和物种级鉴定的情境下，基于DNA的调查尚不能完全取代显微镜。然而，随着参考数据库的增长、长读长测序变得更普遍以及科学家更好地理解基因拷贝数在各类群间如何变化，宏条形码法可以大幅扩展生物多样性评估。与传统显微镜并用时，它提供了一种强有力的方式，既能看到熟悉的部分，也能揭示海洋浮游植物群落的隐藏组成。

引用: Torstensson, A., Brugel, S., Andersson, A.F. et al. Comparing DNA metabarcoding with light microscopy to identify eukaryotic phytoplankton in the Baltic Sea, Kattegat and Skagerrak. Sci Rep 16, 15743 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48838-z

关键词: 浮游植物, DNA宏条形码, 波罗的海, 海洋监测, 显微镜学