The marine benthic ecosystem, encompassing the sea floor and the sedimentary habitats within, plays a crucial role in major biogeochemical cycles and the functioning of the marine ecosystem. Despite its importance, many aspects of its ecology remain understudied, such as microbial community composition and bacteria–eukaryote interactions. In recent years, molecular ecology methods, in particular DNA metabarcoding, have provided us with new insights into benthic ecology. Compared with traditional methods, metabarcoding has the advantage of being applicable to various samples, generating large data sets and allowing reliable taxonomic identification without requiring morphological identification.
This thesis explores the use of the DNA metabarcoding method in examining the benthic ecosystem from different angles and targeting both eukaryote and prokaryote communities. 18S rDNA metabarcoding was used to target and track temporal variation in eukaryote communities in coastal sediment of the northern Gulf of Finland. The results demonstrate that DNA metabarcoding can be used to study sediment eukaryote community composition and variation over time. The key factor shaping the sediment eukaryote community was time, firstly the year and then the season, whereas location played a smaller role in explaining the community variation. In addition, the changes in the community composition could be linked to larger environmental phenomena, such as the timing and duration of the ice season, which in turn influenced the phytoplankton bloom. The ability of DNA metabarcoding surveys to resolve sediment community response to environmental factors indicates a potential for applications in biomonitoring and environmental assessment. Nevertheless, some limitations remain, such as the lack of standardization in metabarcoding methods and data analysis, and deficiencies in the reference databases.
In addition, 18S and 16S rDNA metabarcoding were employed to resolve trophic strategies and microbial interactions of a common benthic unicellular eukaryote, the foraminifera. Samples for these studies were collected from the intertidal mudflats of Texel Island in the Netherlands. Both intracellular bacteria and eukaryotes of foraminifera were targeted in these studies, as well as the foraminifera’s own DNA, which allowed reliable genus-level identification. The intracellular eukaryote operational taxonomic units (OTUs) of different foraminiferal species reflected their trophic preferences: Haynesina sp. (genotype S16) and Elphidium sp. (genotype S5), which are likely to prefer an algal diet and/or are known to have a tendency for kleptoplasty, had an intracellular eukaryote content dominated by diatoms. In contrast, Ammonia sp. (genotype T6) contained also metazoan OTUs, implying potential predatory behaviour in addition to an algal diet. Based on these results, DNA metabarcoding can provide a comprehensive tool for the investigation of life strategies and ecology of even unicellular organisms, such as the foraminifera.
The intracellular bacterial OTUs of all foraminiferal species were enriched in sulphur-oxidizing and sulphate-reducing bacteria compared with the surrounding sediment bacterial community, where the relative abundancies of these bacteria were lower. The intracellular bacterial 16S OTUs of foraminifera were found to be species-specific, and the phylogenetic analysis of the sulphur-cycle related aprA OTUs showed that some of these intracellular bacteria were closely related to known endobionts of other organisms. Therefore, the results suggest that intertidal benthic foraminifera may have a previously overlooked role in the benthic sulphur cycle. Further research is needed to understand the exact role of the sulphur-cycle associated bacteria in foraminiferal ecology. For example, looking into the environmental conditions under which transcription of the sulphur-cycle genes takes place would enable assessment of their role and the potential foraminifera/endobiont contribution to the benthic sulphur cycle.Merenpohjien elinympäristöjen toiminnalla on tärkeitä vaikutuksia koko meriekosysteemiin. Esimerkiksi monet keskeiset biogeokemialliset kierrot, kuten vaikkapa hiilen ja typen kierto, kulkevat osittain merenpohjan elinympäristöjen ja eliöiden kautta. On kuitenkin huomattavaa, että tämä ympäristö tunnetaan vielä verrattain puutteellisesti, etenkin kaikkein pienimpien eliöiden kuten mikrobien osalta. Lajikirjon, eliöiden vuorovaikutusssuhteiden ja mikrobiyhteisöjen tunteminen on välttämätöntä, kun halutaan ymmärtää koko ekosysteemin toimintaa ja toteuttaa tarvittavia seuranta- ja suojelutoimenpiteitä.
Molekulaariset menetelmät, jotka usein perustuvat DNA:n eristämiseen, sekvensointiin ja analysointiin, ovat luoneet uusia mahdollisuuksia myös merenpohjan ekosysteemien tutkimiseen. Yksi tällaisista menetelmistä on niin kutsuttu DNA-viivakoodaus (engl. DNA metabarcoding). Viivakoodattavat geenialueet ovat pieniä fragmentteja eliön genomista, jotka muuntelevat riittävästi eri lajien välillä mahdollistaen luotettavan taksonomisen tunnistamisen. DNA-viivakoodauksella voidaan täydentää ja tarkentaa tietoja esimerkiksi lajien monimuotoisuudesta sekä eri lajien välisistä vuorovaikutussuhteista. Nykyään nämä menetelmät ovat myös edullisia ja nopeita, joten niiden avulla pystytään tuottamaan suuria ja tarkkoja aineistoja tehokkaasti. DNA-viivakoodauksella on mahdollista tutkia kattavasti myös yksisoluisia eliöitä, jotka perinteisiin morfologisiin menetelmiin perustuvassa tutkimuksessa jäävät usein huomiotta.
Tässä väitöskirjatyössäni olen tarkastellut DNA-viivakoodausmenetelmän käyttöä merenpohjan ekosysteemien tutkimuksessa keskittyen erityisesti mikroskooppisiin eliöihin, kuten yksisoluisiin aitotumallisiin sekä bakteereihin. Tutkimus keskittyi erityisesti vuorovesialueiden huokoseläinlajeihin, sillä yleisyydestään huolimatta näiden eliöiden elintapoja ja ekologiaa ei vielä tunneta riittävästi. Tulokset osoittivat, että DNA:han pohjautuvilla menetelmillä kyetään sekä luotettavasti tunnistamaan jopa yksisoluisia huokoseläimiä, että havainnoimaan niiden paikkaa ravintoketjussa ja tutkimaan mahdollisia symbionttisia vuorovaikutussuhteita.
DNA-viivakoodausta voidaan hyödyntää myös käytännön ympäristönvalvonta- ja –seurantatyöhön. Tämän työn tulosten perusteella menetelmä kykenee herkästi osoittamaan meren eliöyhteisöissä tapahtuvia ajallisia muutoksia. Nämä muutokset voidaan kytkeä laajempiin ilmiöihin ja vallitseviin olosuhteisiin, kuten esimerkiksi kevätkukinnan ajoittumiseen tai jääpeitteen sulamiseen
