Environmental DNA metabarcoding elucidates patterns of fish colonisation and co-occurrences with amphibians in temperate wetlands created for biodiversity

Wetlands are biodiversity hotspots that provide several essential ecosystem services. On a global scale, wetlands have greatly declined due to human activities. To counteract wetland loss, created wetlands are used as a conservation tool to facilitate biodiversity and provide habitats mainly for birds and amphibians. Fishes are likely to colonise the created wetlands and potentially affect the diversity and occurrence of amphibians. Still, species occurrence data for fish in created wetlands are largely lacking. Using eDNA metabarcoding, we investigated occurrence and co-occurrence patterns of fish and amphibian communities in 52 wetlands (some of which are ponds) created to benefit mainly bird and amphibian communities in south-central Sweden. Altogether, 17 fish and five amphibian species were detected in the created wetlands out of the 32 fish and six amphibian species found in the regional species pool. Amphibians were less common in wetlands physically connected to other wetlands. Connected wetlands were more fish-rich than isolated ones, suggesting potential fish avoidance. Additionally, the amphibian community occupied a narrower environmental niche compared to the fish community. Nevertheless, we observed only five statistically significant negative fish-amphibian species co-occurrences (out of 14 species considered). Even though our results suggest amphibian avoidance/exclusion from the created biodiversity wetlands, they also show that fish and amphibians frequently co-exist. Increased habitat heterogeneity in terms of water vegetation, size, shape, and structure of the wetland could be possible factors enabling the co-existence of these two taxa. With this study, we contribute to the general knowledge of fish occurrence patterns in created biodiversity wetlands. By comparing the frequencies of fish occurrence in natural and created wetlands, we have shown that there was some mismatch in what is common in natural compared to created wetlands. This mismatch probably comes from species-specific habitat requirements, stocking, and differences in detectability when using eDNA metabarcoding (small species detected) versus conventional multi-mesh gill-net methods (small species missed). Therefore, our results obtained using eDNA metabarcoding can complement the pre-existing knowledge of amphibian and fish associations and increase our understanding of how to create wetlands to facilitate biodiversity of several taxa

SINH SẢN VÀ SINH VẬT CỘNG SINH : Khám phá mới về đặc điểm địa phương và khu vực trong sinh thái học và sự sinh sản của san hô

Coral reefs belong to the most diverse and the most threatened ecosystems on earth. Anthropogenic stressors and climate change have led to mortalities at levels unprecedented in modern times. The aims of this thesis are to investigate aspects of the corals’ ability to reproduce, disperse, adapt and survive. Papers I-III study reproduction in a common soft coral species, Sarcophyton elegans, with previously unknown reproductive modes. Paper IV investigates genetic distribution of coral-symbiont associations in Galaxea fascicularis focusing on adaptation to the environment along the coastline of Vietnam. Sarcophyton  elegans is a gonochoric broadcast spawner with a 1:1 sex ratio. Reproduction is strictly size dependent. Oogenesis takes 19-24 months, with a new cycle commencing every year. Spermatogenesis takes 10-12 months. The majority of gametes were released during the annual austral mass spawning event after full moon in November, but spawning also occur between August and February. The polyps at the outer edge of the colonies released their gametes first, followed by polyps situated closer to the center during subsequent months. Colonies upstream in the prevailing current spawn earlier than those downstream. The colonies were arranged in clusters of alternating males and females, which spawned simultaneously and were of the same genotype. Fission and buddying is a common mode to expand locally. Additionally, females undergoing fission divided into the most fecund size classes. The G. fascicularis and their associated symbionts were not genetically coupled to each other but to environmental factors. The host displayed an inshore-offshore zonation, with higher diversity offshore. The D1a symbiont exhibited an inshore- offshore zonation. In contrast; the 5 different C symbiont types showed a latitudinal distribution gradient, which shifted in dominance north to south. The study highlights the importance of protecting resilient coral and algal genotypes in stressed areas and the need to understand reproductive modes for coral conservation.Các rạn san hô là một trong những hệ sinh thái có tính đa dạng và bị đe dọa cao nhất trên trái đất. Các áp lực từ con người và nhiệt độ nước biển tăng (SSTs) đã gây ra hiện tượng “tẩy trắng” gây chết san hô ở mức độ cao chưa từng thấy trong thời điểm hiện tại. Mục tiêu của nghiên cứu này là tìm hiểu khả năng của san hô trong thích nghi, phân tán và sống sót nhằm duy trì quần thể. Bài báo số II-III là những nghiên cứu đầu tiên về đặc điểm sinh sản của loài san hô mềm phổ biến, Sarcophyton elegan tại Australia. Bài báo số IV nghiên cứu về phân bố nguồn gen của tảo cộng sinh trong loài san hô Galaxea fascicularis, tập trung vào sự thích nghi với môi trường dọc theo vùng biển Việt Nam, khu vực bị ô nhiễm từ lục địa. Sarcophyton elegans được biết với đặc điểm sinh sản cả vô tính và hữu tính. Loài này là loài sinh sản bằng cách phân tán trứng, với tỷ lệ giới tính là 1:1 và sự sinh sản hữu tính bị khống chế nghiêm ngặt bởi kích cỡ của tập đoàn (Bài báo II, phần phương pháp của Bài báo I). Quá trình tạo trứng kéo dài từ 19 đến 24 tháng với chu kỳ sinh sản lặp lại hàng năm, và sự sinh tinh kéo dài từ 10 đến 12 tháng. Phần lớn giao tử được giải phóng trong một thời gian ngắn sau ngày trăng tròn của tháng 11, nhưng giao tử vẫn được giải phóng trong ngày trăng tròn của các tháng từ tháng 8 đến tháng 1 năm sau. Các polyp autozooid nằm phía ngoài của tập đoàn giải phóng giao tử trước, sau đó là các polyp nằm gần lõi trong các tháng tiếp theo. Các tập đoàn ngược lên trong dòng chảy thịnh hành đẻ trứng sớm hơn các tập đoàn xuôi dòng khoảng một tháng (Bài báo II). Các tập đoàn được sắp xếp thành từng đám từ 7 đến hàng trăm tập đoàn trong mỗi nhóm, bao gồm cả đực và cái. Các tập đoàn trong cùng một nhóm sinh sản cùng một thời điểm. (Bài báo II) và mỗi nhóm có cùng một kiểu di truyền (Bài báo III) có đầy đủ 13 (có thể là 22) kiểu di truyền  khác nhau. Sự phân đôi và kết đôi phụ thuộc hoàn toàn vào kích thước và có lẽ là phương thức mở rộng phổ biến nhất. Sự phân đôi phải mất 2 năm hoặc hơn mới hoàn thành. Thêm vào đó, con cái trải qua quá trình phân đôi thành kích cỡ có khả năng sinh sản cao nhất (Bài báo III). Có 6 nhóm haplotypes (mtDNA) của loài G. fascicularis và tảo cộng sinh Symbiodinium (ITS2 rDNA) không đóng cặp với nhau nhưng lại gắn với các yếu tố môi trường, có thể như kết quả của phương thức sinh sản của vật chủ (Bài báo IV). Vật chủ có sự phân vùng rõ rệt giữa gần bờ và xa bờ, với sự đa dạng cao hơn hẳn của các rạn xa bờ so với các rạn gần bờ, khu vực thường xuyên bị độ đục, ô nhiễm và lắng đọng trầm tích tác động. Tảo cộng sinh Symbiodinium D1a ITS2 điểm hình của sự phân vùng gần bờ và xa bờ. Ngược lại, 5 loại C khác lại có sự phân vùng theo vĩ tuyến, với sự tăng lên rõ rệt theo chiều Bắc-Nam, cùng với sự ổn định SST và sự tăng lên của các SST. Nghiên cứu này đã chỉ rõ tầm quan trọng trong bảo vệ các loài san hô và tảo biển bản địa tại các khu vực bị đe dọa (Bài báo IV) và sự cần thiết phải hiểu các phương thức sinh sản (Bài báo II-III) và các thông số môi trường trong việc xác định mức độ đa dạn sinh học và sự hấp thụ của sinh vật cộng sinh trong san hô cứng và san hô mềm.At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Manuscript. Paper 4: Manuscript

Inventering av fisk vid Gåsefjärden i Karlskrona skärgård med nätprovfiske och eDNA

På uppdrag av Länsstyrelsen i Blekinge län har AquaBiota Water Research tillsammans med AERC genomfört nätprovfiske med kustöversiktsnät samt provtagning och analys av eDNA med syfte att kartlägga fisksamhället i området kring Gåsefjärden i Karlskrona skärgård.Totalt inventerades 45 stationer med nätprovfiske och 17 med eDNA, varav 16 stationer var gemensamma för båda metodikerna. Sammantaget visar inventeringarna att fisksamhället i området karaktäriseras av ett högt inslag av sötvattensfiskar, framförallt abborre och mört men i de yttre delarna är det marina inslaget tydligare med förekomst av arter som sill, skarpsill och torsk. Andel av rovfisk var relativt låg för båda metoderna Det kan indikera både dålig återväxt av rovfiskar och högt fisketryck. Totalt identifierades 30 fiskarter i det provtagna området, varav 21 arter och 3336 individer fångades med nätprovfiske. Vid de 16 stationerna där båda metodikerna användes tillsammans detekterades 16 arter med nätprovfiske och 24 arter med eDNA (samt ytterligare två artpar, ett artkomplex och två arter som saknar referenssekvens). Totalt identifierades 3 rödlistade fiskarter i hela området: ål (akut hotad), torsk (sårbar) och vimma (nära hotad).De arter som enbart detekterades med eDNA är arter som mera sällan fångas vid nätprovfisken såsom storspigg, gädda, ål och simpor. Enbart en tånglakeindivid fångades i provfisket, arten detekterades även med eDNA. Information om längd och åldersanalys från nätprovfisket visade att inga årsyngel av abborre förekom i området, vilket kan tyda på en sämre lokal reproduktionsframgång 2019.Nätprovfiske och eDNA kompletterar varandra på ett bra sätt där metoderna bidrar med olika information. Resultaten för relativ förekomst av de vanligaste medelstora arterna (mört och abborre) har en god överensstämmelse mellan metoderna. eDNA är att föredra då fiskarters förekomst i ett område är av intresse då det är fördelaktigare ur kostnadssynpunkt samt bevarandeetiska skäl. Nätprovfiske är att föredra då information om arternas fångst per nät och natt i abundans och biomassa samt längdfördelning och tillväxt är av intresse

Ecological connectivity and niche differentiation between two closely related fish species in the mangrove−seagrass−coral reef continuum

We aim to understand ontogenetic shifts in habitat use and feeding patterns by 2 fish species, Lutjanus fulviflamma and L. ehrenbergii, within a tropical seascape in East Africa. Stomach contents and stable isotope signatures of muscle tissues (δ13C and δ15N) were compared between and within species. Fish of all life stages and potential food items were sampled from mangrove creeks, seagrass beds, and coral reefs around Mafia Island, Tanzania. Due to similarities in morphology between species, correct species identity was confirmed using genetic barcoding (mtDNA, partial sequence of cytochrome oxidase subunit I [COI]). Stable isotope analysis in R  (based on mixing models) confirmed that δ13C and δ15N values in L. fulviflamma and L. ehrenbergii reflected those of prey items caught in different habitats. Diets and mean δ13C and δ15N values of muscle tissue differed between life stages of fish, indicating ontogenetic changes in habitat and diet. L. fulviflamma and L. ehrenbergii differed in diet and δ13C and δ15N values of muscle tissue, although they overlapped in habitat use, suggesting food resource partitioning between the 2 species. Furthermore, diet overlap indexes were low between subadult species in mangrove and seagrass or coral habitats. L. fulviflamma displayed a diet shift with decreasing importance of small crustaceans in juveniles and an increasing importance of prey fishes in subadults and adults. L. ehrenbergii showed the opposite pattern. The study verifies feeding interlinkage within the mangrove-seagrass-coral reef continuum in Mafia Island by providing strong evidence of ontogenetic migration. Understanding these connections will enhance our ability to manage tropical seascapes, and highlights the need to include multiple habitats in marine protected areas

Data from: Comparison of capture and storage methods for aqueous macrobial eDNA using an optimized extraction protocol: advantage of enclosed filter

Aqueous environmental DNA (eDNA) is an emerging efficient non-invasive tool for species inventory studies. To maximize performance of downstream quantitative PCR (qPCR) and next-generation sequencing (NGS) applications, quality and quantity of the starting material is crucial, calling for optimized capture, storage and extraction techniques of eDNA. Previous comparative studies for eDNA capture/storage have tested precipitation and ‘open’ filters. However, practical ‘enclosed’ filters which reduce unnecessary handling have not been included. Here, we fill this gap by comparing a filter capsule (Sterivex-GP polyethersulfone, pore size 0·22 μm, hereafter called SX) with commonly used methods. Our experimental set-up, covering altogether 41 treatments combining capture by precipitation or filtration with different preservation techniques and storage times, sampled one single lake (and a fish-free control pond). We selected documented capture methods that have successfully targeted a wide range of fauna. The eDNA was extracted using an optimized protocol modified from the DNeasy® Blood & Tissue kit (Qiagen). We measured total eDNA concentrations and Cq-values (cycles used for DNA quantification by qPCR) to target specific mtDNA cytochrome b (cyt b) sequences in two local keystone fish species. SX yielded higher amounts of total eDNA along with lower Cq-values than polycarbonate track-etched filters (PCTE), glass fibre filters (GF) or ethanol precipitation (EP). SX also generated lower Cq-values than cellulose nitrate filters (CN) for one of the target species. DNA integrity of SX samples did not decrease significantly after 2 weeks of storage in contrast to GF and PCTE. Adding preservative before storage improved SX results. In conclusion, we recommend SX filters (originally designed for filtering micro-organisms) as an efficient capture method for sampling macrobial eDNA. Ethanol or Longmire's buffer preservation of SX immediately after filtration is recommended. Preserved SX capsules may be stored at room temperature for at least 2 weeks without significant degradation. Reduced handling and less exposure to outside stress compared with other filters may contribute to better eDNA results. SX capsules are easily transported and enable eDNA sampling in remote and harsh field conditions as samples can be filtered/preserved on site

Spens_et_al_2016_DATASET

This is the output from the original trial conducted in 2015

LifeDNAquatic: Riktlinjer för optimal hantering och analys av akvatiskt eDNA som verktyg inom svensk miljöövervakning

Naturvårdsverket och Havs- och vattenmyndigheten i Sverige beviljade åtta forskningsprojekt 2018 för att undersöka hur eDNA kan användas som verktyg inom den svenska miljöövervakningen. Projektet LifeDNAquatic, presenteras i denna rapport. De tre första arbetspaketen inom projektet resulterade i två tekniska rapporter som behandlar fältplanering, provtagning i fält och olika sorters fältutrustning. Riktlinjer för laboratorier specifika för eDNA och extraktionsmetoder diskuteras. Sju undersökningar (5–11) utfördes för att validera eDNA som metod och för att utröna användbarheten av eDNA-flerartsanalyser som verktyg inom miljöövervakningen. Mer än 460 eDNA-prover samlades in under undersökningstiden. Delundersökning 5: Går det att jämföra artförekomster baserade på flerartsanalyser som kommer från helt olika eDNA-laboratorier? En jämförande undersökningutfördes där fem laboratorier deltog för att jämföra fiskdetektion från samma vatten. Artanalyserna från de olika laboratorierna visade förvånansvärt liknande resultat. Detta innebär att resultat från olika eDNA-utövare är jämförbara och att metoden är tillförlitlig. Delundersökning 6: Är resultaten av eDNA-analyser jämförbara då prover bevaras i olika konserveringsvätskor över tid? Analysen visade att prover som bevaras under kort tid oberoende av konservering uppvisar samma resultat. Då proverna bevaras mer än tre månader är resultaten jämförbara bara då proverna bevarats i etanol. Delundersökning 7: Går det att analysera filter som bevarats i etanol i 1,5 år? eDNA-prover som bevarats i etanol i kylskåp i 1,5 år visar att detektionsprecisionen av den biologiska mångfalden är lika hög oberoende om proverna bevarats kort eller lång tid. Delundersökning 8: Hur påverkar provtagningsdesign slutresultaten av en undersökning? Går det att undersöka artnärvaro i biflöden genom att enbart analyseraprover från dess huvudflöde? Slutsatsen från detta är att en genomtänkt provtagningsdesign och val av lokaler kan spara både tid och resurser då eDNA används som metodinom miljöövervakningen. För mera finskalig utbredning av arter bör flera lokaler inventeras. Vidare ger prover från huvudflöde inte information om artnärvaro i biflöden. Månatliga prover ger en mer korrekt relativ biomassa av fiskarter eftersom mjölke-eDNA då kan uteslutas från analysen. Delundersökning 9: Kan man utröna säsongsvariationer med eDNA över ett år? Hur många prover behöver samlas in på de enskilda lokalerna? Från detta arbetspaketdrar vi slutsatsen att prov som tas från samma lokal månadsvis under ett år är ett mycket kraftfullt verktyg för artinventeringar eftersom både arternas inbördes dominans i fisksamhället samt reproduktionstider kan fastslås. Antal prover som behöver samlas in vid en provpunkt framgår av undersökningen. Delundersökning 10: Hur skiljer sig resultatet mellan eDNA och nät-/elfisken? eDNA i marin miljö detekterade 24 fiskarter jämfört med 15 arter i nätfisket. eDNA i rinnande vatten detekterade 1,2 till 4,7 gånger fler arter än sammanslagna historiska elfiskedata. Delundersökning 11: Är eDNA kostnadseffektivt i relation till traditionella metoder? Flera olika demonstrationsprojekt visar att eDNA som metod är kostnadseffektivt i relation till traditionella inventeringsmetoder. Skillnaden beror på tidsåtgången i fält, som är betydligt högre för traditionella metoder jämfört med eDNA