Using vertebrate environmental DNA from seawater in biomonitoring of marine habitats

Abstract

Conservation and management of marine biodiversity depends on biomonitoring of marine habitats, but current approaches are resource‐intensive and require different approaches for different organisms. Environmental DNA (eDNA) extracted from water samples is an efficient and versatile approach to detecting aquatic animals. In the ocean, eDNA composition reflects local fauna at fine spatial scales, but little is known about the effectiveness of eDNA‐based monitoring of marine communities at larger scales. We investigated the potential of eDNA to characterize and distinguish marine communities at large spatial scales by comparing vertebrate species composition among marine habitats in Qatar, the Arabian Gulf (also known as the Persian Gulf), based on eDNA metabarcoding of seawater samples. We conducted species accumulation analyses to estimate how much of the vertebrate diversity we detected. We obtained eDNA sequences from a diverse assemblage of marine vertebrates, spanning 191 taxa in 73 families. These included rare and endangered species and covered 36% of the bony fish genera previously recorded in the Gulf. Sites of similar habitat type were also similar in eDNA composition. The species accumulation analyses showed that the number of sample replicates was insufficient for some sampling sites but suggested that a few hundred eDNA samples could potentially capture >90% of the marine vertebrate diversity in the study area. Our results confirm that seawater samples contain habitat‐characteristic molecular signatures and that eDNA monitoring can efficiently cover vertebrate diversity at scales relevant to national and regional conservation and management.

Abstract

Article impact statement: Environmental DNA provides habitat‐characteristic molecular signatures and can be used efficiently to map marine biodiversity at large spatial scales.

Translated abstract

ADN Ambiental de Vertebrados Tomado del Agua Marina para Realizar Biomonitoreos de los Hábitats Marinos

Resumen

La conservación y el manejo de la biodiversidad marina depende del biomonitoreo de los hábitats marinos, pero las estrategias actuales requieren de muchos recursos y de diferentes estrategias para diferentes organismos. El ADN ambiental (ADNa) extraído de muestras de agua es una estrategia eficiente y versátil para detectar animales acuáticos. En el océano, la composición del ADNa refleja la fauna local a escalas espaciales finas, pero se sabe poco sobre la efectividad del monitoreo basado en el ADNa de las comunidades marinas a grandes escalas. Investigamos el potencial del ADNa para caracterizar y distinguir las comunidades marinas a escalas espaciales grandes mediante una comparación de la composición de especies de vertebrados entre los hábitats marinos de Qatar, en el Golfo Arábigo (también conocido como el Golfo Persa), con base en el meta‐código de barras del ADNa extraído de muestras de agua de mar. Realizamos análisis de acumulación de especies para estimar cuánta de la diversidad de vertebrados logramos detectar. Obtuvimos secuencias de ADNa de diversos ensamblajes de vertebrados marinos, los cuales abarcaron 191 taxones de 73 familias. Estos taxones incluyeron a especies raras y en peligro de extinción y cubrieron el 36% de los géneros de peces óseos previamente registrados en el golfo. Los sitios con tipos similares de hábitat también fueron similares en cuanto a la composición del ADNa. Los análisis de acumulación de especies mostraron que el número de réplicas de muestras fue insuficiente para algunos sitios de muestreo, pero sugieren que unos cientos de muestras de ADNa podrían capturar potencialmente >90% de la diversidad de vertebrados marinos en el área de estudio. Nuestros resultados confirman que las muestras de agua marina contienen firmas moleculares características del hábitat y que el monitoreo de ADNa puede cubrir eficientemente la diversidad de vertebrados a escalas relevantes para la conservación y el manejo nacional y regional.

摘要

海洋生物多样性的保护和管理依赖于对海洋生境的生物监测, 而目前的监测方法都属于资源密集型, 且对不同生物需要采取不同的方法。从水样中提取环境 DNA (eDNA) 是一种调查水生动物高效通用的方法。在海洋中, eDNA 的组成反映了区域精细空间尺度上动物群的情况, 但对于 eDNA 在更大尺度上调查海洋生物群落的有效性尚有待探究。本研究基于 eDNA 条形码技术在海水样品中的应用, 比较了卡塔尔和阿拉伯湾 (又称波斯湾) 海洋生境的脊椎动物组成, 以分析 eDNA 在大空间尺度上描述和分辨海洋生物群落的能力。我们通过物种累积分析估计了我们检测到的脊椎动物多样性。结果显示, 我们获得的 eDNA 序列来自包含 73 个科 191 个类群的海洋脊椎动物群集。这些动物中包括稀有物种和濒危物种, 覆盖了该海湾现有记录中 36% 的硬骨鱼属。生境类型相近的位点检测到的 eDNA 组成也相似。物种累积分析还表明一些采样位点的样品重复个数不足, 但几百个 eDNA 样本可能足够捕获该研究地区 90% 以上的海洋脊椎动物多样性。我们的研究结果证实了海水样本中含有具有生境特点的分子信号, 且 eDNA 检测可以在与国家和区域保护管理所涉及的尺度上有效覆盖脊椎动物多样性。 【翻译: 胡怡思; 审校: 聂永刚】