eDITH：基于eDNA的河流网络生物多样性空间投影工具

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近年来，随着环境DNA（eDNA）数据的广泛应用，科学家们开始将目光投向水生系统，特别是河流。这一方法为快速、经济高效、涵盖广泛分类单元的生物多样性评估提供了可能。在这个领域的先锋人物之一是瑞士苏黎世大学进化生物学和环境研究系以及瑞士联邦水科学与技术研究所水生态学系的Luca Carraro和Florian Altermatt。他们提出了一种名为“eDITH”的模型，即eDNA整合传输与水文模型。该模型利用了河流水动力学过程，从而实现了eDNA对生物多样性的广泛整合。

上图：“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，这篇研究于2024年3月27日发表，但是截至6月7日，引用量才1。而且小编查阅了中文世界的材料，尚未有对eDITH的任何介绍，因此“海洋与湿地”（OceanWetlands）公众号将该前沿模型编译介绍过来。上图来源于Methods in Ecology and Evolution。

eDITH模型的独特之处在于，它能够将空间上复制的eDNA测量结果与河流网络相结合，从而推断任何感兴趣分类单元的空间分布情况。这一方法不仅适用于任何分类群，还可以处理来自定量聚合酶链反应（qPCR）的DNA浓度数据和代条码（read counts）数据。然而，直到最近，eDITH的应用范围仅限于水文和生态知识丰富的专业用户，并且需要定制的流域划分、水文特征化、模型实现和拟合。

上图：对于河流网络中eDNA采集的抽样设计进行比较。(a) 一种上游为重的抽样策略，嵌套性有限（即采样点之间通过下游路径连接的程度），不太适用于eDITH的应用。(b) 一种仅沿主干采样的策略，因此嵌套性高。这使得eDITH能够对主干的物种分布提供稳健的估计，但对其他支流的预测能力将受到限制。(c) 一种更偏下游的策略，采样点位于各自河段的下游端（即，在河流汇合处的上游右侧）。这是最佳的采样策略，因为它使eDITH能够解析河流网络中各种eDNA来源。图源：Luca Carraro, Florian Altermatt

为了使更多的科学家、保护生物学家能够利用eDITH模型，Luca Carraro 和 Florian Altermatt（Carraro, 2023）开发了一个名为“eDITH”的R软件包。该软件包提供了一种简化和直接的方法，将eDNA点数据转换为填充整个流域的生物多样性地图。使用该软件包，用户只需要提供两个定义了流域范围的空间坐标和一个确定了流域出口的点。水文变量是根据单个河流宽度和流量的测量外推而来的，这使得eDITH的实现对用户更加友好，不再需要对水文学、生态建模或分子生态学有广泛的知识。对于有经验的用户，该软件包还提供了详细的定制选项，例如选择模型拟合技术、协变量和误差分布。

上图：eDITH软件包的工作流程及其功能概述。图源：Luca Carraro, Florian Altermatt

eDITH的应用不仅可以推动科学研究的进步，还可以为河流生态系统的保护和管理提供重要的支持。通过将eDNA数据转化为空间填充的生物多样性地图，科学家们可以更全面地了解河流生物多样性的分布情况，并提出相应的保护策略。可以说，eDITH的出现将彻底改变我们对河流生物多样性的认识和监测方法，为河流生态系统的保护和管理提供了全新的工具和思路。

可以说，eDITH专门是面向生态学家和保护生物学家而设计的。它可以在没有先前建模知识的情况下使用，但也允许有经验的用户进行定制。基于最少的输入信息，允许将eDNA点数据转换为跨流域的填充生物多样性地图的直接工作流。

具体来说，该软件包利用了rivnet软件包提供的无缝R基于河流网络提取，只需要两个定义感兴趣的流域空间范围的点的坐标和一个标识流域出口的点。对于eDITH模型所需的水力变量根据一次流域宽度和流量的单一测量进行外推。所以说，eDITH允许了一种用户友好的eDITH实施，从而使其可供广泛的终端用户使用，而无需依赖于水文学、生态建模或分子生态学的广泛知识。

而对于更有经验的用户来说，该软件包使详细的“量身定制”成为可能，例如在模型拟合技术、协变量和误差分布的选择方面。最终，eDITH使得全球任何河流的eDNA生物多样性数据得以升级，从而以高度灵活的方式追踪河流系统中生物多样性的状态和变化，彻底改变了我们对河流生物多样性的认识方式。

值得一提的是，eDITH软件包提供了用户友好的功能，用于单次运行执行和将eDITH拟合到eDNA数据中，采用贝叶斯方法（通过BayesianTools软件包）和非线性优化。与DHARMa软件包的接口允许通过后验预测检查进行模型验证。通过rivnet软件包实现了流域划分和水文特征化等必要的初步步骤。

在原文中，作者通过两个已发表的鱼类eDNA数据案例研究，来详细说明了eDITH的工作流程和功能。感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：

Carraro L, Altermatt F. eDITH: An R‐package to spatially project eDNA‐based biodiversity across river networks with minimal prior information[J]. Methods in Ecology and Evolution, 2024, 15(5): 806-815.

（译者注：对于eDITH的关注源于上一篇有关瑞士eDNA的文章，参见“海洋与湿地”的往期报道：《如何在整个河流网络尺度上预测生态系统状态？基于环境DNA的水生环境状态测量：提高生物指数空间分辨率》）

END

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新闻源 | Carraro L, Altermatt F.

编译 | 王芊佳

审核 | Maggie

排版 | 绿叶

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【参考资料】

• https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/2041-210X.14317

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