När, var, hur? DNA-Barcoding av kiselalger

Transkript

1 Från vattendrag till kust Maria Kahlert Institution för Vatten & Miljö När, var, hur? DNA-Barcoding av kiselalger och andra organismer Maria Kahlert Miljöövervakning med ett klimat i förändring. Miljöövervakningsdagarna September 2018 Nyköping

2 10 8 Kiselalgsmetoden indexberäkning: alla kiselalgsarter inkluderade: relativ abundans [%] indikatorvärde specifik för varje art: sensitivitetsvärde: påverkan toleransvärde: vikt ekologisk status Visar påverkan av ph näring organiska föroreningar metaller ACID 1 hög 2 god 3 måttlig 4 otillfredsställande 5 dålig sjöar vattendrag ph

3 Kiselalgsmetoden - utveckling Metabarcoding Övervakning av ett klimat i förändring Var står vi i utvecklingen av metoden? Kan kiselalger användas för att övervaka klimatförändringar?

4 Kiselalger för övervakning av ett klimat i förändring Samarbete med Virpi P. Pajunen & Janne Soininen University of Helsinki The results showed that climatic factors are important drivers of stream diatom distributions and their influence may even outcompete the effects of local environmental variables. However, the relative importance of the factors governing diatom distributions varied along the anthropogenic land use gradient and among species. Climate was the main driver of species distributions in pristine environments, whereas local environment was more important in human impacted streams. PhD thesis Virpi P. Pajunen

5 Kiselalger för övervakning av ett klimat i förändring observerad r 2 = 0.57 GDD r 2 = 0.52 Modellutfall för Svenska kiselalger: Temperatur (GDD) lika styrande för kiselalgssamhällets sammansättning som näring (Tot-P) WAB: mellan nedfall och avdunstning ph TP modellerad Pajunen, Kahlert & Janne Soininen, unpublished data GDD: growing degree days - vegetationsperiodens effektiva temperatursumma: Antal dagar per år med en medeltemperatur > 5 C

6 men, samarbetet mellan Finland och Sverige krävde en ganska omfattande harmoniseringsarbete ang. kiselalgsarter

7 Kiselalger för övervakning av ett klimat i förändring Mera information: caff.is/freshwater Circumpolar Biodiversity Monitoring Plan (CBMP) Arctic Council: Conservation of Arctic Flora and Fauna (CAFF) Alla länder med (sub)polara regioner (inkl. Sverige) utvecklar nu ett globalt övervakningsprogram. Kiselalger är en av bioindikatorer som föreslås Referenssamhällen måste identifieras först, i.e. analys av existerande data, både nutida och paleo -> Harmonisering av artlistor. Fredericton 2011

8 Kiselalger för övervakning av ett klimat i förändring Kiselalgssamhällen i (Sub)Arctis Lokaler färgkodad efter biotyp, i.e. kiselalgssamhällens artsammansättning

9 Kiselalger för övervakning av 0 ett klimat 2 i förändring Latitude Kiselalgssamhällens sammansättning styrs mest av temperatur, nederbörd, och ph LC Forest 3 AnnualMean.Precip. LC Agriculture Low Arctic LC U2 rban TempAvg Annual LC W 4 6 etlands Low vegetationsub Arcti1c TempAvg JulyMax 5 LC Bare High arctic Latitude High Arctic biotyp lokaler hade högre ph (~8) än andra Canonical correspondence analysis. CCA1 Lokaler färgkodad efter biotyp = kiselalgssamhällens artsammansättning Biotyper

10 men, det globala samarbetet, och mellan nutida och paleoexperter, krävde en ännu större harmoniseringsarbete ang. kiselalgsarter:

11 Circumpolar kiselalgsdatabas Final taxon: Achnanthes acares/ricula/carissima Humidophila schmassmanni Length: < 9 µm

12 Kiselalger för övervakning av ett klimat i förändring Harmoniseringsarbete ang. kiselalgsarter Praktiska lösningar genom en grupp av kiselalgsexperter (med paleo- resp. miljöövervakningsbakgrund) Taxonomisk upplösning Fel/ Variabilitet ~ 500 taxa Multi-nivå lösning Arter Artkomplex Genera «taxa»

13 metabarcoding har föreslagits som lösning

14 metabarcoding DNA-streckkodning = DNA-barcoding: att bestämma en art genom att avläsa en karakteristisk del av organismens arvsmassa DNA-metabarcoding: parallellt analysera alla barcoder som finns i ett prov, t.ex. alla organismer i en biofilm: bakterier + alger + meiofauna + småkryp + rester av andra organismer kräver snabba sekvenseringsapparater och datorkapacitet I praktiken analyserar man ofta bara en enda organismgrupp PS: e-dna environmental DNA Thomsen et al. 2015: genetic material obtained directly from environmental samples (soil, sediment, water, etc.) without any obvious signs of biological source material

15 väldigt många prover reducerat pris en mera harmoniserad artidentifiering världen över öppnar för storskaliga jämförelsestudier om förändringar av kiselalgssamhällen under ett förändrat klimat (och av andra organismgrupper) Se även:

16 metabarcoding Kahlert, M., Bailet, B. & Keck, F DNA-streckkodning nytt verktyg i miljöövervakningen. Sötvatten 2017: Pawlowski, J. et al The future of biotic indices in the ecogenomic era: Integrating (e)dna metabarcoding in biological assessment of aquatic ecosystems. Sci Total Environ :

17 metabarcoding Metabarcoding två vägar att gå traditionella index arter taxonomical-free index genetiska enheter (t.ex. OTUs) Diatom working group of DNAqua-Net (Sweden, Germany, France, UK, Switzerland, Spain & Croatia) Pawlowski, J. et al The future of biotic indices in the ecogenomic era: Integrating (e)dna metabarcoding in biological assessment of aquatic ecosystems. Sci Total Environ :

18 Pawlowski, J. et al Sci Total Environ :

19 metabarcoding Kiselalgsindex IPS arter OTU ISU PC1: närsaltsgradient

20 metabarcoding en mera harmoniserad artidentifiering, exempel: the genus Fragilaria TCC FraP02 085FraP FraR03 005FraP FraB06 409FraB10 TCC FraB SynP04 TCC743 TCC829 TCC747 TCC FraP04 s0327 [AB430676] F. bidens 009FraP02 F. pararumpens TCC559 F. cf. capucina 203FraB07 F. pararumpens 191FraB06 F. nanoides 195FraB07 F. nanoides 199FraB07 F. nanoides 194FraB06. F. nanoides TCC365 F. crotonensis 653FraK08 F. mesolepta CCAP1011/1 [HQ912499] Centronella reicheltii AT-185Gel3 [AM713181] F. crotonensis TCC669 F. cf. rumpens 823SynN05 F. pararumpens 015FraP02 TCC FraK FraT01 FGRA1 410FraB10 FGRA FraB10 87 TCC705 Fragilaria sp. 791FraN01 Fragilaria sp. Outgroup Ulnaria TCC TCC682 F. heatherae sp. nov. FCAP1 513FraK01 F. perminuta FPEM SynP04 F. joachimii sp. nov. FCAP2 TCC FraP02 Fragilaria sp. 1 FTEN2 TCC870 F. subconstricta FTNS F. tenera FTEN1 F. gracilis F. agnesiae sp. nov. FVAU AT b [AM710473] F. cf. vaucheriae FCRNAPA? fylogenetiskt träd, baserad på DNA-streckkoder COST Action CA15219 (DNAqua-Net)

21 metabarcoding Varför? Originalbeskrivningar kan vara svåra att tyda Detta leder till egna tolkningar av problematiska arter F. vaucheriae F. capucina var. capitellata F. austriaca F. capucina F. capucina cf. F. capucina var. parvula 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Olika arter har dock olika ekologi, t.ex. är F. vaucheriae en tolerant art, medans de flesta andra är känsliga arter DNA-barcoding ger oss nya möjligheter att göra taxonomiska analyser Vilket i sin tur förbättrar både den morfologiska och den molekylära artidentifieringen

22 BONUS Synthesis projekt FUMARI - Future Marine Assessment and Monitoring of the Baltic * sammanfattning av nuvarande övervakning och förvaltning av data, * granskning av nya övervakningsmetoder, och * en analys av kraven genom internationell lagstiftning -> förslag för en förbättrad övervakning av Östersjön enkät & elektronisk workshop för intressenter 20 Nov 2018 vad tycker miljöövervakare om nya metoder och hur dessa skulle kunna användas i miljöövervakning? metabarcoding

23 Tack Sötvatten Publikationer - Havs- och vattenmyndigheten PhD student Bonnie Bailet