Исследование сообществ макробеспозвоночных животных в бухте Большие Коты озера Байкал с использованием ДНК метабаркодинга

Приводятся сведения о разнообразии макробеспозвоночных животных, структуре их сообществ в бухте Большие Коты оз. Байкал, полученные методом ДНК метабаркодинга на основе NGS-технологии (Illumina, MiSeq). Для ДНК метабаркодинга макробеспозвоночных был использован внутренний праймер mlCOIintF в комбинации с jgHCO2198 для амплификации фолмеровского фрагмента гена СОI. Всего получено 118 009 прочтений фрагмента гена СОI (длиной не менее 313 п. н.). Показано, что количество прочтений может служить опосредованной характеристикой обилия вида (операционной таксономической единицы – ОТЕ). Корреляция количества прочтений с численностью макробеспозвоночных в пробах до экстракции ДНК по коэффициенту Спирмена составляет 0.6 ( p < 0.05). Выявлено 115 ОТЕ, принадлежащих высшим таксонам макробеспозвоночных животных: Porifera – 1, Platyhelminthes – 3, Annelida – 38, Arthropoda – 55, Mollusca – 18. На видовом уровне (при гомологии с референсными последовательностями GenBank ≥ 95 % и покрытии не менее 90 %) зарегистрировано 46 таксонов макробеспозвоночных, формирующих три сообщества: одно – с доминированием моллюсков Choanomphalus conf. maacki и два – с доминированием хирономид Ortho cla dius gregarius Linev., Sergentia baicalensis Tshern. Сообщества характеризуются невысоким видовым разнообразием по Шеннону (от 0.7 до 1.2 бит), высокой концентрацией доминирования по Симпсону (от 0.5 до 0.7) и низкой выравненностью по Пиелу (от 0.3 до 0.4). На долю доминантов и субдоминантов в сообществах приходится от 91 до 96 % прочтений фрагмента гена СОI. На пространственное распределение доминирующих видов сообществ влияют геоморфологические особенности дна в исследуемом районе и состав донных отложений. Предложенный подход для изу чения структуры сообществ макробеспозвоночных на основе ДНК метабаркодинга может быть рекомендован для экспресс-оценки состояния водных экосистем при мониторинге.

1. Arbačiauskas K., Semenchenko V., Grabovski M., Leuven R., Paunović M., Son M., Csanyi B., Gumuliauskaitè S., Konopacka A., Nehring S., van der Velde G., Vezhnovetz V., Panov V. Assessment of biocontamination of benthic macroinvertebrate communities in European inland waterways. Aquat. Invasions. 2008;3(2):211­230. DOI: 10.3391/ai.2008.3.2.12.

2. Aylagas E., Borja A., Rodríguez­Ezpeleta N. Environmental status assessment using DNA metabarcoding: towards a genetics based marine biotic index (gAMBI). PLoS One. 2014;9(3):e90529. DOI: 10.1371/journal.pone.0090529.

3. Bailey R.C., Norris R.H., Reynoldson T.B. Taxonomic resolution of benthic macroinvertebrate communities in bioassessments. J. North Am. Benthol. Soc. 2001;20(2):280­286. DOI: 10.2307/1468322.

4. Begon M., Harper J., Townsend K. Ecology: From Individuals to Ecosystems. Malden, MA: Blackwell Publishing, 1986. (Russ. ed.: Begon M., Harper J., Taunsend K. Ekologiya. Moscow: Mir Publ., 1989)

5. Bonada N., Dolédec S., Statzner B. Taxonomic and biological trait differences of stream macroinvertebrate communities between mediterranean and temperate regions: implications for future climatic scenarios. Glob. Chang. Biol. 2007;13(8):1658­1671. DOI: 10.1111/j.1365­2486.2007.01375.x.

6. Brauns M., Garcia X.­F., Pusch M.T., Walz N. Eulittoral macroinvertebrate communities of lowland lakes: discrimination among trophic states. Freshw. Biol. 2007;52(6):1022­1032. DOI: 10.1111/j.13652427.2007.01.

7. Brotskaya V.A., Zenkevich L.A. Quantitative accounting of the benthic fauna of the Barents Sea. Proceedings of Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography. 1939;4:5­98. (in Russian)

8. Burgmer T., Hillebrand H., Pfenninger M. Effects of climate­driven temperature changes on the diversity of freshwater macroinvertebrates. Oecologia. 2007;151(1):93­103. DOI: 10.1007/s00442­0060542­9.

9. Derycke S., Vanaverbeke J., Rigaux A., Backeljau T., Moens T. Exploring the use of cytochrome oxidase c subunit 1 (COI) for DNA barcoding of free­living marine nematodes. PLoS One. 2010;5(10): e13716. DOI: 10.1371/journal.pone.0013716.

10. Doyle J.J., Dickson E.E. Preservation of plant samples for DNA restriction endonuclease analysis. Taxon. 1987;36(4):715­722. DOI: 10.2307/1221122.

11. Edgar R.C. Search and clustering orders of magnitude faster than BLAST. Bioinformatics. 2010;26(19):2460­2461. DOI: 10.1093/bioinformatics/btq461.

12. Edgar R.C. UPARSE: highly accurate OTU sequences from microbial amplicon reads. Nat. Methods. 2013;10(10):996­998. DOI: 10.1038/nmeth.2604.

13. Edgar R.C. SINTAX, a Simple Non­Bayesian Taxonomy Classifier for 16S and ITS sequences. bioRxiv. 2016. DOI: 10.1101/074161.

14. Elbrecht V., Leese F. Can DNA­based ecosystem assessments quantify species abundance? Testing primer bias and biomass – sequence relationships with an innovative metabarcoding protocol. PLoS One. 2015;10(7):e0130324. DOI: 10.1371/journal.pone.0130324.

15. Elbrecht V., Vamos E.E., Meissner K., Aroviita J., Leese F. Assessing strengths and weaknesses of DNA metabarcoding­based macroinvertebrate identification for routine stream monitoring. Methods Ecol. Evol. 2017;8(10):1265­1275. DOI: 10.1111/2041­210X.12789.

16. Folmer O., Hoeh W.R., Black M.B., Vrijenhoek R.C. Conserved primers for PCR amplification of mitochondrial DNA from different invertebrate phyla. Mol. Mar. Biol. Biotechnol. 1994;3(5):294­299.

17. Geller J., Meyer C., Parker M., Hawk H. Redesign of PCR primers for mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I for marine invertebrates and application in all­taxa biotic surveys. Mol. Ecol. Resour. 2013;13(5):851­861. DOI: 10.1111/1755­0998.12138.

18. Gleason J.E., Elbrecht V., Braukmann T.W.A., Hanner R.H., Cottenie K. Assessment of stream macroinvertebrate communities with eDNA is not congruent with tissue­based metabarcoding. Mol. Ecol. 2021;30(13):3239­3251. DOI: 10.1111/mec.15597.

19. Haenel Q., Holovachov O., Jondelius U., Sundberg P., Bourlat S.J. NGSbased biodiversity and community structure analysis of meiofaunal eukaryotes in shell sand from Hållö island, Smögen, and soft mud from Gullmarn Fjord, Sweden. Biodivers. Data J. 2017;5:e12731. DOI: 10.3897/BDJ.5.e12731.

20. Hajibabaei M., Shokralla S., Zhou X., Singer G.A.C., Baird D.J. Environmental barcoding: a next­generation sequencing approach for biomonitoring applications using river benthos. PLoS One. 2011; 6(4):e17497. DOI: 10.1371/journal.pone.0017497.

21. Hampton S.E., McGowan S., Ozersky T., Virdis S.G.P., Vu T.T., Spanbauer T.L., Kraemer B.M., Swann G., Mackay A.W., Powers S.M., Meyer M.F., Labou S.G., O’Reilly C.M., DiCarlo M., Galloway A.W.E., Fritz S.C. Recent ecological change in ancient lakes. Limnol. Oceanogr. 2018;63(5):2277­2304. DOI: 10.1002/lno.10938.

22. Hebert P.D.N., Cywinska A., Ball S.L., DeWaard J.R. Biological identifications through DNA barcodes. Proc. Biol. Sci. 2003;270(1512): 313­321. DOI: 10.1098/rspb.2002.2218.

23. Hsieh T.C., Ma K.H., Chao A. iNEXT: an R package for rarefaction and extrapolation of species diversity (Hill numbers). Methods Ecol. Evol. 2016;7(12):1451­1456. DOI: 10.1111/2041­210X.12613.

24. Konstantinov A.S. General Hydrobiology. Moscow, 1986. (in Russian) Kravtsova L.S., Karabanov E.B., Kamaltynov R.M., Mekhani kova I.V., Sitnikova T.Ya., Rozhkova N.A., Slugina Z.V., Izhboldina L.A., Weinberg I.V., Akinshina T.V., Krivonogov S.K., Shcherbakov D. Yu. Macrozoobenthos of subaqueous landscapes in the shoal of southern

25. Lake Baikal: 1. Local diversity of bottom populations and features of their spatial distribution. Zoologicheskiy Zhurnal = Zoological Journal. 2003;82(3):307­317. (in Russian)

26. Kravtsova L.S., Kamaltynov R.M., Karabanov E.B., Mekhanikova I.V., Sitnikova T.Ya., Rozhkova N.F., Slugina Z.V., Izhboldina L.A., Weinberg I.V., Akinshina T.V., Sherbakov D.Yu. Macrozoobenthic communities of underwater landscapes in the shallow­water zone of southern Lake Baikal. Hydrobiol. 2004;522:193­205. DOI: 10.1023/B:HYDR.0000029979.68265.3e.

27. Kravtsova L.S., Peretolchina T.E., Triboy T.I., Sherbakov D.Y. The evolutionary history of two species of Orthocladiinae (Diptera: Chironomidae) from Lake Baikal (Eastern Siberia). Aquat. Insects. 2014;36(3­4):171­185. DOI: 10.1080/01650424.2015.1062111.

28. Kravtsova L.S., Peretolchina T.E., Triboy T.I., Nebesnykh I.A., Kupchinskiy A.B., Tupikin A.E., Kabilov M.R. The study of the diversity of hydrobionts from Listvennichny Bay of Lake Baikal by DNA metabarcoding. Russ. J. Genet. 2021;57(4):460­467. DOI: 10.1134/s1022795421040050.

29. Kuntke F., de Jonge N., Hesselsøe M., Nielsen J.L. Stream water qua lity assessment by metabarcoding of invertebrates. Ecol. Indic. 2020; 111:105982. DOI: 10.1016/j.ecolind.2019.105982.

30. Lacoursière­Roussel A., Howland K., Normandeau E., Grey E.K., Archambault P., Deiner K., Lodge D.M., Hernandez C., Leduc N., Bernatchez L. eDNA metabarcoding as a new surveillance approach for coastal Arctic biodiversity. Ecol. Evol. 2018;8(16):7763­7777. DOI: 10.1002/ece3.4213.

31. Leray M., Yang J.Y., Meyer C.P., Mills S.C., Agudelo N., Ranwez V., Boehm J.T., Machida R.J. A new versatile primer set targeting a short fragment of the mitochondrial COI region for metabarcoding metazoan diversity: application for characterizing coral reef fish gut contents. Front. Zool. 2013;10(1):34. DOI: 10.1186/1742­9994­10­34.

32. Machida R.J., Leray M., Ho S.­L., Knowlton N. Metazoan mitochondrial gene sequence reference datasets for taxonomic assignment of environmental samples. Sci. Data. 2017;4(1):170027. DOI: 10.1038/sdata.2017.27.

33. Makarchenko E.A., Makarchenko M.A. New findings of chironomids (Diptera, Chironomidae, Orthocladiinae) in Far East and bordering territories. III. Orthocladius van der Wulp. Evraziatskii Entomologicheskii Zhurnal = Euroasian Entomological Journal. 2008; 7(2):243­262. (in Russian)

34. McGoff E., Aroviita J., Pilotto F., Miler O., Solimini A.G., Porst G., Jurca T., Donohue L., Sandin L. Assessing the relationship between the Lake Habitat Survey and littoral macroinvertebrate communities in European lakes. Ecol. Indic. 2013;25:205­214. DOI: 10.1016/j.ecolind.2012.09.018.

35. Meusnier I., Singer G.A.C., Landry J.­F., Hickey D.A., Hebert P.D.N., Hajibabaei M. A universal DNA mini­barcode for biodiversity analysis. BMC Genomics. 2008;9(1):214. DOI: 10.1186/1471­2164­9­214.

36. Moss B., Kosten S., Meerhoff M., Battarbee R.W., Jeppesen E., Mazzeo N., Havens K., Lacerot G., Liu Z., de Meester L., Paerl H., Scheffer M. Allied attack: climate change and eutrophication. Inland Waters. 2011;1(2):101­105. DOI: 10.5268/IW­1.2.359.

37. Nalepa T.F., Fanslow D.L., Lang G.A. Transformation of the offshore benthic community in Lake Michigan: recent shift from the native amphipod Diporeia spp. to the invasive mussel Dreissena rostriformis bugensis. Freshw. Biol. 2009;54(3):466­479. DOI: 10.1111/j.1365­2427.2008.02123.x.

38. Odum Yu. Basic Ecology. Philadelphia–New York–Chicago–San Francisco–Montreal–Toronto–London–Sydney–Tokyo–Mexico City– Rio de Janeiro–Madrid: Saunders College Publ., 1983. (Russ. ed.: Odum Yu. Ekologiya. Moscow, 1986)

39. O’Reilly C.M., Alin S.R., Plisnier P.­D., Cohen A.S., McKee B.A. Climate change decreases aquatic ecosystem productivity of Lake Tanganyika, Africa. Nature. 2003;424(6950):766­768. DOI: 10.1038/nature01833.

40. Porazinska D.L., Giblin­Davis R.M., Faller L., Farmerie W., Kanzaki N., Morris K., Powers T.O., Tucker A.E., Sung W.A.Y., Thomas W.K. Evaluating high­throughput sequencing as a method for metagenomic analysis of nematode diversity. Mol. Ecol. Resour. 2009;9(6):1439­1450. DOI: 10.1111/j.1755­0998.2009.02611.x.

41. Pudovkina T.A., Sitnikova T.Y., Matveyev A.N., Shcherbakov D.Y. Kindred relations of Baikal polychaete of the Manayunkia genus [Polychaeta: Sedentaria: Sabellidae] according to CO1 and settlement history analysis. Russ. J. Genet. Appl. Res. 2016;6(2):129­137. DOI: 10.1134/S207905971602009X.

42. Rezende R.S., Santos A.M., Henke­Oliveira C., Gonçalves J.F., Jr. Effects of spatial and environmental factors on benthic a macroinvertebrate community. Zoologia. 2014;31(5):426­434. DOI: 10.1590/s1984­46702014005000001.

43. Semernoy V.P. Oligochaeta of Lake Baikal. Novosibirsk: Nauka Publ., 2004. (in Russian)

44. Timoshkin O.A. Biodiversity of Baikal fauna: state­of­the­art (Preliminary analysis). In: New Scope on Boreal Ecosystems in East Siberia. Proc. of the Intern. Workshop, Kyoto, Japan, 23–25 Nov. 1994. Novosibirsk: Russ. Acad. Sci. Publ. Siberian Branch, 1997;35­76.

45. van den Berg M.S., Coops H., Noordhuis R., van Schie J., Simons J. Macroinvertebrate communities in relation to submerged vegetation in two Chara­dominated lakes. Hydrobiologia. 1997;342:143­150. DOI: 10.1023/A:1017094013491.

46. Worrall T.P., Dunbar M.J., Extence C.A., Laize C.L.R., Monk W.A., Wood P.J. The identification of hydrological indices for the characterization of macroinvertebrate community response to flow regime variability. Hydrol. Sci. J. 2014;59(3­4):645­658. DOI: 10.1080/02626667.2013.825722.

47. Yu D.W., Ji Y., Emerson B.C., Wang X., Ye C., Yang C., Ding Z. Biodiversity soup: metabarcoding of arthropods for rapid biodiversity assessment and biomonitoring. Methods Ecol. Evol. 2012;3(4):613623. DOI: 10.1111/j.2041­-210X.2012.00198.x.