Benthic diatom metabarcoding: developing new approaches to research and biomonitoring in aquatic ecosystems

Abstract

Les diatomees han estat àmpliament estudiades en bona part degut a la seva rellevància ecològica i per ser excel·lent bioindicadores. No obstant, la identificació de les diatomees a nivell d'espècie requereix temps i personal amb coneixements taxonòmics. Recentment, el mètode d’ADN metabarcoding s’ha postulat com una alternativa a les identificacions morfològiques basades en microscòpia òptica (MO), val a dir però, que hi ha diversos factors que poden disminuir l'eficàcia del metabarcoding. L´objectiu principal d´aquesta tesi és avaluar l´aplicabilitat de la tècnica metabarcoding per al seguiment dels sistemes aquàtics sota la Directiva Marc de l´Aigua, així com per abordar qüestions ecològiques i biogeogràfiques de les diatomees. Els nostres resultats indiquen que el metabarcoding, basat en el marcador cloroplàstic rbcL, constitueix una alternativa eficaç al MO per al seguiment de rius mediterranis, com els que hi ha a Catalunya, bàsicament gràcies a que les espècies de diatomees bentòniques més comunes d'aquests rius estan representades a la biblioteca de referència. Per contra, les espècies marines hi són molt menys representades i això comporta que el metabarcoding no pugui ser encara una alternativa a la MO en sistemes costaners, però sí una eina complementària capaç de detectar espècies difícilment identificables per MO com són espècies petites, delicades o desproveïdes de frústuls. També hem vist que l'elecció entre els dos marcadors rbcL usats actualment en metabarcoding té poques implicacions per als programes de seguiment, però sí per a estudis de biodiversitat. Aquesta tesi també mostra com les variants genètiques de diversos complexos d'espècies de diatomees difereixen a les seves preferències ecològiques i distribució espacial. A més, l'anàlisi d'una base de dades global (rbcL) de diatomees d'aigua dolça ens ha permès observar que les diatomees pennades presenten més diversitat intraespecífica que les cèntriques i alhora identificar quatre patrons filogeogràfics comuns entre les espècies analitzades.

Las diatomeas han sido ampliamente estudiadas debido en parte a su gran importancia ecológica y al hecho de ser excelentes bioindicadores. No obstante, la identificación de las diatomeas a nivel de especie es una tarea que requiere de tiempo y conocimientos taxonómicos. Recientemente, el método ADN metabarcoding ha sido contemplado como una alternativa a las identificaciones morfológicas basadas en microscopía óptica (MO), si bien es cierto que existen varios factores que pueden disminuir la eficacia del metabarcoding. El objetivo principal de esta tesis es evaluar la aplicabilidad de la técnica metabarcoding para el seguimiento de sistemas acuáticos bajo la Directiva Marco del Agua, así como para abordar cuestiones ecológicas y biogeográficas. Nuestros resultados indican que el metabarcoding, basado en el marcador cloroplástico rbcL, constituye una alternativa eficaz al MO para el seguimiento de ríos mediterráneos, como los de Cataluña, debido principalmente a que las especies de diatomeas bentónicas más comunes de estos ríos están representadas en la biblioteca de referencia. Por contra, las especies marinas están en menor medida representadas lo cual conlleva que el metabarcoding no sea actualmente una alternativa a la MO en sistemas costeros, pero sí una herramienta complementaria capaz de detectar especies difícilmente identificables por MO como especies pequeñas, delicadas o desprovistas de frústulos. También hemos visto que la elección entre los dos marcadores rbcL usados actualmente en metabarcoding tiene pocas implicaciones para los programas de seguimiento, pero sí para estudios de biodiversidad. Esta tesis también muestra como las variantes genéticas de varios complejos de especies de diatomeas difieren en sus preferencias ecológicas y distribución espacial. Además, el análisis de una base de datos global (rbcL) de diatomeas de agua dulce nos ha permitido observar que las diatomeas pennadas presentan mayor diversidad intraespecífica que las céntricas e identificar cuatro patrones filogeográficos comunes entre las especies analizadas.

Diatoms have been widely studied partly because of their great ecological importance and the fact that they are excellent bioindicators. However, the identification of diatoms at the species level is a time-consuming and taxonomically demanding task. Recently, DNA metabarcoding has been considered as an alternative to morphological identifications based on light microscopy (LM), although there are several factors that may decrease the effectiveness of metabarcoding. The main objective of this thesis is to evaluate the applicability of DNA metabarcoding for monitoring aquatic systems under the Water Framework Directive, as well as to address ecological and biogeographical questions. Our results indicate that metabarcoding, based on the chloroplastic marker rbcL, constitutes an effective alternative to LM for monitoring Mediterranean rivers, such as those of Catalonia, mainly because the most common benthic diatom species in these rivers are represented in the reference library. By contrast, marine species are less represented, which means that metabarcoding is not currently an alternative to LM in coastal systems, but it is a complementary tool capable of detecting species that are difficult to identify by LM, such as small, delicate species or species lacking frustules. We have also seen that the choice between the two rbcL markers currently used in metabarcoding has few implications for monitoring programmes, but does have implications for biodiversity studies. This thesis also shows how genetic variants within several diatom species complexes differ in their ecological preferences and spatial distribution. In addition, the analysis of a global database (rbcL) of freshwater diatoms has allowed us to observe that pennate diatoms show higher intraspecific diversity than centric diatoms and to identify four common phylogeographic patterns among the species analysed.