Development of metabarcoding approaches for investigating temporal and spatial dynamics of meiobenthic communities in estuarine ecosystems

Abstract

The meiofaunal community plays an important role within the benthic domain of the estuarine environments, functioning as a through-line in the ecosystem’s processes. Nevertheless, knowledge on patterns of distribution at small-scale is still scarce. In this thesis, we explore the potential of sediment environmental DNA (eDNA) metabarcoding for investigating temporal and spatial dynamics of meiobenthic communities in three coastal ecosystems. To this end, we started by optimizing the sampling design and amount of sediment to use in eDNA extraction. We tested six primer pairs from the mitochondrial cytochrome c oxidase gene (COI) and the nuclear ribosomal 18S rRNA gene (18S) to maximize meiofaunal OTU (Operational Taxonomic Unit) detection, customizing bioinformatics procedures for sequencing data processing and analyses. Results indicated that a minimum of three sample replicates and 10.0 g of sediment should be used. Two primer pairs, one of each marker, were selected for subsequent experiments. eDNA metabarcoding surveys of meiofauna in four stations along the downstream-upstream axis of Lima estuary in two years, 2017 and 2018, revealed very high levels of OTU replacement (68% for COI and 56% for 18S), either among sampling points within each sampling station or among sampling stations. Nevertheless, concomitant analyses of OTU co-occurrence networks revealed striking stability in the network structure in the sampling stations and between years for both genetic regions employed in the community analyses. To verify these patterns of spatial variability in meiofauna, we expanded our surveys to two additional transitional ecosystems in the Iberian coast, namely Canal de Mira (Ria of Aveiro) and the South margin of the Ría de Vigo. Globally, the results of these surveys reinforced the previously found patterns of high OTU turnover within and among these estuarine ecosystems. On the other hand, network analyses identified modularity and connectivity patterns reflecting the combined actions of environmental filtering and geographical aspects on the meiofaunal communities. The combination of eDNA metabarcoding with co-occurrence network analysis has a great potential to shed light into the understanding of the spatial-temporal dynamics of these still poorly known but ecologically relevant communities.

A comunidades da meiofauna desempenham um papel relevante no domínio bentónico dos ambientes estuarinos, funcionando como elo de ligação nos processos destes ecossistemas. Contudo, o conhecimento dos padrões de distribuição em pequena escala ainda é insuficiente. Nesta tese exploramos o potencial do metabarcoding do DNA ambiental do sedimento (eDNA) para investigar a dinâmica temporal e espacial das comunidades meiobentónicas em três ecossistemas costeiros. Com este fim, começámos por otimizar o desenho da amostragem e a quantidade de sedimento a utilizar na extração de ADN. Testámos seis pares de primers para o gene mitocondrial do citocromo c oxidase (COI) e o gene nuclear 18S rRNA (18S) de forma a maximizar a deteção de OTU (unidades taxonómicas operacionais) e personalizámos os procedimentos bioinformáticos. Os resultados indicaram que devem ser usados no mínimo 10.0 g de sedimento e amostrados três replicados biológicos. Para as experiências subsequentes foram selecionados dois pares de primers, um para cada marcador. Em 2017 e 2018, levantamentos da meiofauna por meio de eDNA metabarcoding, em quatro estações de amostragem no estuário do Lima, ao longo de um eixo jusante-montante, revelaram valores muito elevados de substituição de OTUs (68% for COI and 56% for 18S), tanto entre pontos de amostragem dentro de cada estação, ou entre estações. No entanto, as análises subsequentes das redes de co-ocorrência de OTUs, revelaram uma estabilidade l na estrutura das redes das comunidades entre os dois anos e para ambos os marcadores moleculares usados. Para verificar estes padrões, expandimos os levantamentos da meiofauna a dois outros ecossistemas de transição da costa oeste da Ibéria, nomeadamente o Canal de Mira (Ria de Aveiro) e a margem sul da Ría de Vigo. Globalmente, os resultados destas campanhas reforçaram os padrões de elevada troca de OTUs dentro e entre ecossistemas estuarinos previamente observados. Por outro lado, por meio da análise de redes identificámos padrões de modularidade e conectividade que espelharam a ação combinada da filtração ambiental e do contexto geográfico nas comunidades de meiofauna. A integração de eDNA metabarcoding com a análise de redes tem um enorme potencial para iluminar o nosso conhecimento sobre a dinâmica espaço-temporal destas comunidades tão pobremente conhecidas, embora ecologicamente revelantes.