DNAメタバーコーディングは、渓流の養分に対する珪藻の反応を効果的に定量化する

DNA metabarcoding effectively quantifies diatom responses to nutrients in streams.

• Nathan J Smucker
• Erik M Pilgrim
• Christopher T Nietch
• John A Darling
• Brent R Johnson

抄録

人間活動による養分汚染は、河川の生態系が直面している共通の問題である。リンと窒素に対する生態学的反応を特定することで、渓流とその流域の保護と管理に影響を与える意思決定に情報を提供することができます。珪藻類は、ほぼすべての水生環境で見られる単細胞藻類の多様性の高いグループであり、栄養塩濃度の上昇に敏感に反応するため、特に有用である。ここでは、全リン（TP）と全窒素（TN）の影響を定量化するためのアプローチとして、渓流の珪藻のDNAメタバーコーディングを使用した。閾値指標分類群解析（TITAN）により、TPとTNの勾配に沿って増加または減少する運用分類群単位（OTU）を特定し、栄養塩濃度とともにOTUの発生量と相対的な個体数に大きな変化がある群集を同定した。ブースト回帰木は、TITANで低P、高P、低N、高Nの珪藻として同定されたOTUの遺伝子配列リードの相対的な存在量が栄養分濃度と強い関係を持っていることを示しています。勾配林分析は、複数の予測因子と各OTUについてのランダム林モデルの結果を用いて、多種類の珪藻群集の変化を特徴づけることで、補完的な情報を提供した。これらの分析から、珪藻類の群集構造とOTUの顕著な変化は20 µg TP/L付近から始まり、低Pの珪藻類は大幅に減少し、75～150 µg/Lで群集の変化点が発生し、150～300 µg/Lで高Pの珪藻類が支配的になることが明らかになった。珪藻は TN にも反応し，280-525 µg TN/L から低 N の珪藻が大きく減少し，525-850 µg/L から高 N の珪藻が優勢になった．これらのTPとTNに対する珪藻の反応は、河川や流域での保護活動（すなわち、分解防止）と管理目標（すなわち、栄養塩の削減）の情報提供に利用することができる。この結果は、モニタリングプログラムでの珪藻のメタバーコーディングの使用に対する支持が高まっていることを示している。

Nutrient pollution from human activities remains a common problem facing stream ecosystems. Identifying ecological responses to phosphorus and nitrogen can inform decisions affecting the protection and management of streams and their watersheds. Diatoms are particularly useful because they are a highly diverse group of unicellular algae found in nearly all aquatic environments and are sensitive responders to increased nutrient concentrations. Here, we used DNA metabarcoding of stream diatoms as an approach to quantifying effects of total phosphorus (TP) and total nitrogen (TN). Threshold indicator taxa analysis (TITAN) identified operational taxonomic units (OTUs) that increased or decreased along TP and TN gradients along with nutrient concentrations at which assemblages had substantial changes in the occurrences and relative abundances of OTUs. Boosted regression trees showed that relative abundances of gene sequence reads for OTUs identified by TITAN as low P, high P, low N, or high N diatoms had strong relationships with nutrient concentrations, which provided support for potentially using these groups of diatoms as metrics in monitoring programs. Gradient forest analysis provided complementary information by characterizing multi-taxa assemblage change using multiple predictors and results from random forest models for each OTU. Collectively, these analyses showed that notable changes in diatom assemblage structure and OTUs began around 20 µg TP/L, low P diatoms decreased substantially and community change points occurred from 75-150 µg/L, and high P diatoms became increasingly dominant from 150-300 µg/L. Diatoms also responded to TN with large decreases in low N diatoms occurring from 280-525 µg TN/L and a transition to dominance by high N diatoms from 525-850 µg/L. These diatom responses to TP and TN could be used to inform protection efforts (i.e., anti-degradation) and management goals (i.e., nutrient reduction) in streams and watersheds. Our results add to the growing support for using diatom metabarcoding in monitoring programs.

This article is protected by copyright. All rights reserved.