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Publication
Can eDNA be leveraged to track taxonomic composition of coral spawning slicks
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Monitoring threatened ecosystems is critical for understanding and mitigating the ongoing loss of biodiversity. Coral reefs are among the most vulnerable ecosystems, facing numerous threats including climate change, overfishing, and pollution. Restoration activities, such as coral transplantation and the establishment of marine protected areas, are increasingly employed to restore these ecosystems to preserve their ecosystem functions. However, the effectiveness and influence of such restoration efforts on the ecosystem are often difficult to assess due to the challenges of monitoring the vast and complex marine environment. This study focuses on the use of environmental DNA (eDNA) to monitor coral spawning slicks, which are vital for the natural recovery and maintenance of coral populations. Spawning slicks, composed of gametes and subsequent coral zygotes released during synchronized coral spawning events, provide a unique opportunity to assess the reproductive success and species composition of coral communities. While traditional methods for monitoring restored coral populations are labor-intensive and limited in scope, eDNA analysis of slick samples provides a more efficient alternative. By analyzing eDNA from slick samples collected during spawning events, we can identify the genera present in the slicks, including those that are difficult to detect through visual observations alone. Utilizing the CoralITS2 and CoralITS2_acro sequencing assays, this study demonstrates the potential of eDNA as a powerful tool for monitoring the composition of coral spawning slicks, thereby providing insights into the reproductive dynamics of restored and at-risk coral species. This approach offers a non-invasive, cost-effective, and scalable method for assessing the success of restoration activities and informing conservation strategies. By integrating eDNA monitoring into existing coral reef management practices, we can enhance our ability to track the recovery of these critical ecosystems and better understand the impacts of restoration efforts.
A monitorização de ecossistemas ameaçados é crucial para entender e mitigar a perda contínua de biodiversidade, especialmente em sistemas vulneráveis como os recifes de corais. Esses recifes enfrentam múltiplas ameaças, incluindo mudanças climáticas, sobrepesca e poluição. Atividades de restauro como o transplante de corais e a criação de áreas marinhas protegidas, estão cada vez mais sendo empregues para restaurar esses ecossistemas à sua saúde original. No entanto, avaliar a eficácia e o impacto desses esforços de restauro é desafiador devido à complexidade e extensão do ambiente marinho. A monitorização das populações de corais e da saúde dos recifes pode ser particularmente difícil, já que a maioria das técnicas tradicionais é invasiva e frequentemente limitada na identificação das espécies presentes. Este estudo investiga o uso de DNA ambiental (eDNA) como uma ferramenta inovadora e promissora para o monitoramento das manchas de desova de corais, que são eventos críticos para a manutenção e recuperação das populações de corais. As manchas de desova, formadas pelos gametas libertados durante eventos de desova sincronizada dos corais, oferecem uma oportunidade única para avaliar o sucesso reprodutivo e a composição das comunidades de corais. Estes eventos são vitais não apenas para a reprodução dos corais, mas também para a saúde geral dos recifes, que dependem da diversidade genética para se manterem resilientes. Os métodos tradicionais de monitoramento dessas manchas de desova são trabalhosos e frequentemente limitados no seu âmbito, perdendo muitas vezes espécies que não são visíveis a olho nu ou que são difíceis de detectar com os métodos convencionais. Ao analisar eDNA a partir de amostras de água recolhidas durante eventos de desova, podemos detectar uma gama mais ampla de espécies presentes nas manchas, oferecendo uma visão mais completa da biodiversidade que compõe os recifes de corais. A metodologia deste estudo envolveu a coleta de amostras das manchas de desova em quatro locais representativos ao longo da Grande Barreira de Coral (GBR) durante as temporadas de desova de 2018 e 2021. Os locais de coleta foram Backnumbers Reef, Keeper Reef, Lizard Island e Whitsundays. As amostras foram recolhidas da superfície das manchas e processadas para extração de DNA. Para validar a eficácia dos ensaios, foram preparadas misturas conhecidas de larvas de dez espécies de corais. Essas misturas permitiram uma avaliação rigorosa das capacidades de detecção dos ensaios e a precisão das razões de abundância relativa dos produtos de metabarcoding. O ensaio CoralITS2 visou a resolução a nível de género, enquanto o ensaio 3 CoralITS2_acro foi utilizado porque estudos anteriores mostraram que o primer CoralITS2 não detecta Acropora, um gênero dominante nos recifes da GBR. Essa escolha foi fundamental para melhorar a detecção de Acropora, cuja região ITS2 é mais curta e apresenta dificuldades para a ligação do primer no CoralITS2. A extração e análise de eDNA foram realizadas com controles rigorosos em laboratórios dedicados para minimizar a contaminação de DNA não amostral. O procedimento envolveu um protocolo de extração de DNA modificado para amostras larvais, incluindo uma incubação de 2,5 a 3 horas em solução tampão e RNase. O DNA extraído foi submetido a dois ensaios de metabarcoding, com amplicons de aproximadamente 419 bp para CoralITS2 e 445 bp para CoralITS2_acro. A escolha do CoralITS2_acro, com o seu primer reverso modificado, foi motivada pela necessidade de melhorar a detecção de Acropora e outros géneros de corais. Os resultados revelaram um total de 191 Variantes de Sequência de Amplicon (ASVs) identificadas através dos ensaios CoralITS2 e CoralITS2_acro. A criação de misturas conhecidas permitiu verificar as capacidades de detecção de cada ensaio e a precisão das razões de abundância relativa observadas. Embora tenha sido observada uma variação significativa nas razões de abundância relativa entre os replicados, a análise Bayesiana usando um modelo beta-binomial indicou que as abundâncias observadas eram consistentes com os valores esperados, sem desvios significativos detectados. Isso confirma a precisão dos ensaios na reflexão das composições das comunidades de corais e reforça a confiabilidade do eDNA como ferramenta de monitoramento. O estudo também destacou um trade-off entre a resolução detalhada a nível de gênero e a representação abrangente da diversidade devido às limitações atuais nos bancos de dados genômicos de corais. O ensaio CoralITS2 forneceu uma resolução a nível de gênero para vários gêneros, mas teve limitações na detecção de Acropora. Em contraste, o CoralITS2_acro, com seu primer modificado, conseguiu identificar Acropora juntamente com outros gêneros. A Análise de Coordenadas Principais (PCoA) e outras métricas de distância, como Unweighted UniFrac e Bray-Curtis, revelaram padrões distintos de agrupamento entre as amostras de manchas de desova, refletindo variações na composição das comunidades de corais. Os dados sugerem que a integração de várias técnicas de metabarcoding é valiosa para alcançar uma compreensão mais completa da diversidade de corais. A abordagem de eDNA provou ser uma ferramenta não invasiva, económica e escalável para monitorar a composição das manchas de desova de corais. Sua capacidade de detectar e identificar espécies que são 4 difíceis de observar visualmente oferece um método mais robusto para avaliar o sucesso da restauração e informar estratégias de conservação. Ao incorporar o monitoramento de eDNA nas práticas existentes de gestão de recifes de corais, podemos aprimorar a nossa capacidade de acompanhar a recuperação desses ecossistemas críticos e obter uma melhor compreensão dos impactos dos esforços de restauro. Este estudo reafirma o potencial do eDNA como uma ferramenta poderosa para a monitoração de comunidades de corais e destaca a importância das técnicas de metabarcoding integradas para uma avaliação detalhada da biodiversidade. A capacidade de acompanhar a dinâmica reprodutiva dos corais e a diversidade das comunidades oferece novos insights sobre a saúde dos recifes e a eficácia das iniciativas de conservação e restauro. Adotar o eDNA como prática padrão de monitoramento pode melhorar significativamente a nossa compreensão e proteção dos recifes de corais, promovendo a sustentabilidade e recuperação desses ecossistemas vitais. Esta abordagem inovadora representa um avanço significativo na monitorização ambiental e tem o potencial de transformar a forma como avaliamos e gerimos a saúde dos recifes de corais.
A monitorização de ecossistemas ameaçados é crucial para entender e mitigar a perda contínua de biodiversidade, especialmente em sistemas vulneráveis como os recifes de corais. Esses recifes enfrentam múltiplas ameaças, incluindo mudanças climáticas, sobrepesca e poluição. Atividades de restauro como o transplante de corais e a criação de áreas marinhas protegidas, estão cada vez mais sendo empregues para restaurar esses ecossistemas à sua saúde original. No entanto, avaliar a eficácia e o impacto desses esforços de restauro é desafiador devido à complexidade e extensão do ambiente marinho. A monitorização das populações de corais e da saúde dos recifes pode ser particularmente difícil, já que a maioria das técnicas tradicionais é invasiva e frequentemente limitada na identificação das espécies presentes. Este estudo investiga o uso de DNA ambiental (eDNA) como uma ferramenta inovadora e promissora para o monitoramento das manchas de desova de corais, que são eventos críticos para a manutenção e recuperação das populações de corais. As manchas de desova, formadas pelos gametas libertados durante eventos de desova sincronizada dos corais, oferecem uma oportunidade única para avaliar o sucesso reprodutivo e a composição das comunidades de corais. Estes eventos são vitais não apenas para a reprodução dos corais, mas também para a saúde geral dos recifes, que dependem da diversidade genética para se manterem resilientes. Os métodos tradicionais de monitoramento dessas manchas de desova são trabalhosos e frequentemente limitados no seu âmbito, perdendo muitas vezes espécies que não são visíveis a olho nu ou que são difíceis de detectar com os métodos convencionais. Ao analisar eDNA a partir de amostras de água recolhidas durante eventos de desova, podemos detectar uma gama mais ampla de espécies presentes nas manchas, oferecendo uma visão mais completa da biodiversidade que compõe os recifes de corais. A metodologia deste estudo envolveu a coleta de amostras das manchas de desova em quatro locais representativos ao longo da Grande Barreira de Coral (GBR) durante as temporadas de desova de 2018 e 2021. Os locais de coleta foram Backnumbers Reef, Keeper Reef, Lizard Island e Whitsundays. As amostras foram recolhidas da superfície das manchas e processadas para extração de DNA. Para validar a eficácia dos ensaios, foram preparadas misturas conhecidas de larvas de dez espécies de corais. Essas misturas permitiram uma avaliação rigorosa das capacidades de detecção dos ensaios e a precisão das razões de abundância relativa dos produtos de metabarcoding. O ensaio CoralITS2 visou a resolução a nível de género, enquanto o ensaio 3 CoralITS2_acro foi utilizado porque estudos anteriores mostraram que o primer CoralITS2 não detecta Acropora, um gênero dominante nos recifes da GBR. Essa escolha foi fundamental para melhorar a detecção de Acropora, cuja região ITS2 é mais curta e apresenta dificuldades para a ligação do primer no CoralITS2. A extração e análise de eDNA foram realizadas com controles rigorosos em laboratórios dedicados para minimizar a contaminação de DNA não amostral. O procedimento envolveu um protocolo de extração de DNA modificado para amostras larvais, incluindo uma incubação de 2,5 a 3 horas em solução tampão e RNase. O DNA extraído foi submetido a dois ensaios de metabarcoding, com amplicons de aproximadamente 419 bp para CoralITS2 e 445 bp para CoralITS2_acro. A escolha do CoralITS2_acro, com o seu primer reverso modificado, foi motivada pela necessidade de melhorar a detecção de Acropora e outros géneros de corais. Os resultados revelaram um total de 191 Variantes de Sequência de Amplicon (ASVs) identificadas através dos ensaios CoralITS2 e CoralITS2_acro. A criação de misturas conhecidas permitiu verificar as capacidades de detecção de cada ensaio e a precisão das razões de abundância relativa observadas. Embora tenha sido observada uma variação significativa nas razões de abundância relativa entre os replicados, a análise Bayesiana usando um modelo beta-binomial indicou que as abundâncias observadas eram consistentes com os valores esperados, sem desvios significativos detectados. Isso confirma a precisão dos ensaios na reflexão das composições das comunidades de corais e reforça a confiabilidade do eDNA como ferramenta de monitoramento. O estudo também destacou um trade-off entre a resolução detalhada a nível de gênero e a representação abrangente da diversidade devido às limitações atuais nos bancos de dados genômicos de corais. O ensaio CoralITS2 forneceu uma resolução a nível de gênero para vários gêneros, mas teve limitações na detecção de Acropora. Em contraste, o CoralITS2_acro, com seu primer modificado, conseguiu identificar Acropora juntamente com outros gêneros. A Análise de Coordenadas Principais (PCoA) e outras métricas de distância, como Unweighted UniFrac e Bray-Curtis, revelaram padrões distintos de agrupamento entre as amostras de manchas de desova, refletindo variações na composição das comunidades de corais. Os dados sugerem que a integração de várias técnicas de metabarcoding é valiosa para alcançar uma compreensão mais completa da diversidade de corais. A abordagem de eDNA provou ser uma ferramenta não invasiva, económica e escalável para monitorar a composição das manchas de desova de corais. Sua capacidade de detectar e identificar espécies que são 4 difíceis de observar visualmente oferece um método mais robusto para avaliar o sucesso da restauração e informar estratégias de conservação. Ao incorporar o monitoramento de eDNA nas práticas existentes de gestão de recifes de corais, podemos aprimorar a nossa capacidade de acompanhar a recuperação desses ecossistemas críticos e obter uma melhor compreensão dos impactos dos esforços de restauro. Este estudo reafirma o potencial do eDNA como uma ferramenta poderosa para a monitoração de comunidades de corais e destaca a importância das técnicas de metabarcoding integradas para uma avaliação detalhada da biodiversidade. A capacidade de acompanhar a dinâmica reprodutiva dos corais e a diversidade das comunidades oferece novos insights sobre a saúde dos recifes e a eficácia das iniciativas de conservação e restauro. Adotar o eDNA como prática padrão de monitoramento pode melhorar significativamente a nossa compreensão e proteção dos recifes de corais, promovendo a sustentabilidade e recuperação desses ecossistemas vitais. Esta abordagem inovadora representa um avanço significativo na monitorização ambiental e tem o potencial de transformar a forma como avaliamos e gerimos a saúde dos recifes de corais.
Description
Keywords
Biodiversity Coral Reefs eDNA ITS2 Metabarcoding Monitoring