近年來，隨著環境DNA（eDNA）數據的廣泛應用，科學家們開始將目光投向水生系統，特別是河流。這一方法為快速、經濟高效、涵蓋廣泛分類單元的生物多樣性評估提供了可能。在這個領域的先鋒人物之一是瑞士蘇黎世大學進化生物學和環境研究系以及瑞士聯邦水科學與技術研究所水生態學系的Luca Carraro和Florian Altermatt。他們提出了一種名為“eDITH”的模型，即eDNA整合傳輸與水文模型。該模型利用了河流水動力學過程，從而實現了eDNA對生物多樣性的廣泛整合。

上圖：“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編注意到，這篇研究于2024年3月27日發表，但是截至6月7日，引用量才1。而且小編查閱了中文世界的材料，尚未有對eDITH的任何介紹，因此“海洋與濕地”（OceanWetlands）公眾號將該前沿模型編譯介紹過來。上圖來源于Methods in Ecology and Evolution。

eDITH模型的獨特之處在于，它能夠將空間上復制的eDNA測量結果與河流網絡相結合，從而推斷任何感興趣分類單元的空間分布情況。這一方法不僅適用于任何分類群，還可以處理來自定量聚合酶鏈反應（qPCR）的DNA濃度數據和代條碼（read counts）數據。然而，直到最近，eDITH的應用范圍僅限于水文和生態知識豐富的專業用戶，并且需要定制的流域劃分、水文特征化、模型實現和擬合。


上圖：對于河流網絡中eDNA采集的抽樣設計進行比較。(a) 一種上游為重的抽樣策略，嵌套性有限（即采樣點之間通過下游路徑連接的程度），不太適用于eDITH的應用。(b) 一種僅沿主干采樣的策略，因此嵌套性高。這使得eDITH能夠對主干的物種分布提供穩健的估計，但對其他支流的預測能力將受到限制。(c) 一種更偏下游的策略，采樣點位于各自河段的下游端（即，在河流匯合處的上游右側）。這是最佳的采樣策略，因為它使eDITH能夠解析河流網絡中各種eDNA來源。圖源：Luca Carraro, Florian Altermatt

為了使更多的科學家、保護生物學家能夠利用eDITH模型，Luca Carraro 和 Florian Altermatt（Carraro, 2023）開發了一個名為“eDITH”的R軟件包。該軟件包提供了一種簡化和直接的方法，將eDNA點數據轉換為填充整個流域的生物多樣性地圖。使用該軟件包，用戶只需要提供兩個定義了流域范圍的空間坐標和一個確定了流域出口的點。水文變量是根據單個河流寬度和流量的測量外推而來的，這使得eDITH的實現對用戶更加友好，不再需要對水文學、生態建模或分子生態學有廣泛的知識。對于有經驗的用戶，該軟件包還提供了詳細的定制選項，例如選擇模型擬合技術、協變量和誤差分布。

上圖：eDITH軟件包的工作流程及其功能概述。圖源：Luca Carraro, Florian Altermatt

eDITH的應用不僅可以推動科學研究的進步，還可以為河流生態系統的保護和管理提供重要的支持。通過將eDNA數據轉化為空間填充的生物多樣性地圖，科學家們可以更全面地了解河流生物多樣性的分布情況，并提出相應的保護策略。可以說，eDITH的出現將徹底改變我們對河流生物多樣性的認識和監測方法，為河流生態系統的保護和管理提供了全新的工具和思路。

可以說，eDITH專門是面向生態學家和保護生物學家而設計的。它可以在沒有先前建模知識的情況下使用，但也允許有經驗的用戶進行定制。基于最少的輸入信息，允許將eDNA點數據轉換為跨流域的填充生物多樣性地圖的直接工作流。

具體來說，該軟件包利用了rivnet軟件包提供的無縫R基于河流網絡提取，只需要兩個定義感興趣的流域空間范圍的點的坐標和一個標識流域出口的點。對于eDITH模型所需的水力變量根據一次流域寬度和流量的單一測量進行外推。所以說，eDITH允許了一種用戶友好的eDITH實施，從而使其可供廣泛的終端用戶使用，而無需依賴于水文學、生態建模或分子生態學的廣泛知識。

而對于更有經驗的用戶來說，該軟件包使詳細的“量身定制”成為可能，例如在模型擬合技術、協變量和誤差分布的選擇方面。最終，eDITH使得全球任何河流的eDNA生物多樣性數據得以升級，從而以高度靈活的方式追蹤河流系統中生物多樣性的狀態和變化，徹底改變了我們對河流生物多樣性的認識方式。

值得一提的是，eDITH軟件包提供了用戶友好的功能，用于單次運行執行和將eDITH擬合到eDNA數據中，采用貝葉斯方法（通過BayesianTools軟件包）和非線性優化。與DHARMa軟件包的接口允許通過后驗預測檢查進行模型驗證。通過rivnet軟件包實現了流域劃分和水文特征化等必要的初步步驟。

在原文中，作者通過兩個已發表的魚類eDNA數據案例研究，來詳細說明了eDITH的工作流程和功能。

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新聞源 | Carraro L, Altermatt F.

編譯 | 王芊佳

審核 | Maggie

排版 | 綠葉

參考資料略

來源: 海洋與濕地