Monitoring coastal benthic colonization of artificial substrates with the support of DNA metabarcoding approaches

Abstract

The aptitude and potential of DNA metabarcoding for high-throughput monitoring of marine macrozoobenthos has been recently demonstrated. However, there are still significant challenges retarding the widespread implementation of DNA-based monitoring strategies in coastal ecosystems. In this thesis, we tested a DNA metabarcoding-based system, coupled with artificial substrates, for monitoring marine macrozoobenthic communities. To this end, we a) assembled a comprehensive reference library of DNA barcodes for marine macroinvertebrate species of Atlantic Iberia, and evaluated gaps in species coverage, b) investigated the efficiency of different marker loci (COI and 18S) and primer-pairs in macrozoobenthos detection, c) compared the performance of DNA metabarcoding and morphology in species detection, d) compared the impact of artificial substrates, made of different materials (slate, PVC and granite) and shapes (ARMS and ASMS), on the patterns of colonization of macrozoobenthos, and e) investigated the temporal and regional variation in macrozoobentos from artificial substrates deployed in NW Atlantic Iberia. Through the compilation of a comprehensive reference library, we recorded a large portion of taxa pending barcode coverage (63%) and signaled a high proportion of species with significant intraspecific divergence (16%). The high complementary of species detection among primers and markers (maximum 13% overlap) indicated that no single marker or primer can provide a complete diagnosis of the macrozoobenthos diversity. Until more extensive monitoring data is available, DNA metabarcoding and morphology should be used in combination, to avoid missing relevant taxa and obtain abundance estimates. Unlike substrate materials,substrate shape strongly affected the colonization of species. Taxonomic diversity varied between substrates, especially when comparing ARMS and ASMS (maximum overlap 30%). Important fractions of diversity may be overlooked if only one substrate is used for monitoring. Substrate deployment periods also displayed a strong influence in the colonization of macrozoobenthos, signaling the importance of this factor for the monitoring design. We conclude that DNA metabarcoding combined with artificial substrates (especially through the combination of ARMS and ASMS) have great potential to be used in comprehensive coastal biomonitoring programs targeting macroinvertebrate biodiversity.

A capacidade e o potencial do DNA metabarcoding para a monitorização de alto rendimento do macrozoobentos marinho têm sido demonstrados em estudos relativamente recentes. Contudo, existem ainda desafios significativos que têem retardado a sua implementação generalizada na monitorização de ecossistemas costeiros. Nesta tese, testamos uma abordagem de monitorização de comunidades macrozoobentónicas marinhas que conjuga DNA metabarcoding com substratos artificiais. Para esse feito, a) criámos uma biblioteca de referência de DNA barcodes para espécies macrozoobentónicas marinhas da Ibéria Atlântica, e avaliámos as lacunas na cobertura de espécies, b) investigámos a eficiência de diferentes marcadores moleculares (COI e 18S) e de primers na deteção de macrozoobentos, c) comparámos o desempenho entre morfologia e DNA metabarcoding na deteção de espécies, d) comparámos o impacto do material (ardósia, PVC e granito) e da forma (ARMS e ASMS) dos substratos artificiais nos padrões de colonização de macrozoobentos, e e) investigámos variações temporais e regionais na colonização de macrozoobentos em substratos artificiais implantados no noroeste Ibero Atlântico. Através da compilação da biblioteca de referência registou-se uma porção elevada de taxa sem DNA barcode (63%) e sinalizou-se uma grande proporção de espécies com divergência intraespecífica significativa (16%). A elevada complementaridade entre primers e marcadores na deteção de espécies (máximo 13% sobreposição), indicou que nenhum marcador ou primer consegue fornecer individualmente um diagnóstico completo da diversidade macrozoobentónica. Enquanto não estiveram disponíveis dados de monitorização mais sistematizados, tanto o DNA metabarcoding como a morfologia deverão ser utilizados, de modo a não discurar de taxa relevantes, e a obter estimativas de abundância. Contrariamente ao material, a forma dos substratos afetou fortemente a colonização de espécies. A diversidade taxonómica variou entre todos os substratos, especialmente ao comparar ARMS e ASMS (máximo 30% sobreposição). Frações importantes de diversidade poderão ser subestimadas se for apenas usado um substrato para monitorização. Os períodos de submersão dos substratos influenciaram fortemente na colonização de macrozoobenthos, evidenciando a importância deste fator no desenho da monitorização. Concluímos que o DNA metabarcoding conjugado com substratos artificiais (nomeadamente ARMS e ASMS) tem um potencial elevado para aplicação em programas de biomonitorização costeira que visem a biodiversidade de macroinvertebrados.