DNA-baserad övervakning av biodiversitet i svensk skogsmark: provtagning, provhantering och analysmetoder

Det finns ett ökande intresse att inkludera organismer och biodiversitet i miljöövervakning. Markorganismer spelar en avgörande roll i reglering av kollagring och näringsomsättning i terrestra ekosystem. Det svenska skogsbruket har stor påverkan på markens biodiversitet, med risk för långsiktiga effekter på biologiska processer – något som inte är förenligt med Sveriges miljömål. DNA-baserade metoder ger nya möjligheter till identifiering och övervakning av svampar, bakterier och fauna i marken – organismer som tidigare har varit svåra att studera. Skogsmarken karakteriseras av stor rumslig variation. För att kunna anpassa provtagning så att DNA-extrakt och sekvensdata avspeglar organismsamhället och fångar så mycket biodiversitet som möjligt krävs mer kunskap om marksamhällenas heterogenitet på olika skalor. Det finns också en mängd frågor kring hur markprov hanteras på bästa sätt efter att de har samlats in.I 12 olika skogsområden i Uppland använde vi DNA-baserad metodik för att studera den rumsliga variationen i samhällen av svampar och bakterier på olika skalor från 1 dm till 10 m. Huvudsyftet var att ta fram information som grund för effektiv provtagning inom miljöövervakning. Vi studerade också effekter av lagring och vidare hantering av prover. Dessutom testade vi preliminära protokoll för DNAbaserad analys av markfauna.Både svamp- och bakteriesamhällen var tydligt rumsligt strukturerade inom det undersökta avståndsintervallet. Svampsamhällena hade den tydligaste strukturen med distinkta samhällen i 1 dm till över 3 m stora ”fläckar”. Svamp- och bakteriesamhällena uppvisade tydlig samvariation, men var också länkade till variation i växtsamhällen och markkemiska egenskaper. De mikrobiella samhällena ändrades märkbart under lagring i rumstemperatur – populationer av opportunistiska arter växte medan svampar associerade med levande rötter minskade sin andel av DNApoolen. Bilden av organismsamhällena påverkades också av på vilket sätt delprov slogs samman till samlingsprov, och malning hade oväntat stor effekt. Primrarna som testades för DNA-baserad analys av markfaunan gav en otillförlitlig bild av hoppstjärtssamhället, även om resultaten till viss del var lovande.pstjärtssamhället, även om resultaten till viss del var lovande. Den tydliga heterogeniteten i markbiologiska samhällen innebär att tillförlitlig miljöövervakning av markorganismer i skogsmark (och andra markparametrar) bör baseras på samlingsprov av poolade delprov. Markinventeringens DNA-provtagning är idag baserad på 5 delprov, men mer biodiversitet skulle kunna fångas, och bilden av organismsamhällena skulle bli mindre slumpmässig med ett större antal delprov. Delprover bör spridas ut över hela målområdet, med så stort avstånd som möjligt, helst 5–10 m, mellan provpunkterna. Det är kritiskt att proverna fryses in så snabbt som möjligt efter provtagning. Mer studier krävs för att förstå hur malning av proverna påverkar DNA-baserade resultat för olika organismgrupper. DNA-baserad miljöövervakning av markfauna kräver utveckling av nya primrar med optimerad specificitet.
Interest in environmental monitoring of organisms and their biodiversity is increasing. Soil organisms play decisive roles in the biogeochemical processes that regulate carbon and nutrient cycling in terrestrial ecosystems. In Swedish forest soils, forestry has a large impact on soil biodiversity, and there is a risk for long-term changes in belowground biological processes, which is not compatible with Swedish environmental goals. DNA-based methods open up new possibilities for identification and monitoring of soil bacteria, fungi and fauna, which previously have been difficult to study. Forest soils are characterized by large spatial variation. To adapt sampling so that DNA-extracts and sequence data reflect communities and capture as much biodiversity as possible, a better understanding of heterogeneity in soil communities at different spatial scales is needed. There are also many questions about how best to handle soil after sampling.In 12 different forests stands in Uppland we used DNA-based methods to investigate spatial variation in fungal and bacterial communities on different scales from 1 dm to 10 m. The main objective was to derive information as a basis for efficient sampling in environmental monitoring, but we also studied influences of sample storage and processing. In addition, we tested preliminary protocols for DNA-based analyses of soil faunal communities.Both fungal and bacterial communities were strongly structured across the entire investigated spatial range. Fungal communities had the most obvious structure, with distinct communities in 1 dm to more than 3 m large patches. Fungal and bacterial communities displayed strong covariation, but were also linked to plant communities and soil chemical properties. The microbial communities changed significantly during storage in room temperature, with opportunistic populations increasing and fungi associated with live roots decreasing their relative contribution to the DNA-pool. Community assessments were also affected by pooling of subsamples, and grinding had a surprisingly large impact. The tested primers for DNA-based analysis of faunal communities provided an incomplete picture of springtails, although results were somewhat promising.The strong patchiness of communities implies that reliable monitoring of forest soil biota (and other soil parameters) depends on pooling of subsamples into composite samples. The current DNA sampling of the Swedish Soil Inventory is based on 5 subsamples, but with more subsamples, more biodiversity would be captured, and the picture of communities would become less stochastic. Subsamples should best be widely distributed, preferably with 5–10 m between them, across the entire target area. It is critical that samples are frozen as soon as possible upon sampling. Further investigation of how soil grinding affects DNA-based data for different organisms is needed. DNA-based monitoring of soil fauna requires development of new primers with optimized specificity.