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© Noémie Leduc, 2019 Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l'Arctique grâce à l'ADN environnemental Mémoire Noémie Leduc Maîtrise en biologie - avec mémoire Maître ès sciences (M. Sc.) Québec, Canada

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© Noémie Leduc, 2019

Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l'Arctique grâce à l'ADN

environnemental

Mémoire

Noémie Leduc

Maîtrise en biologie - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

Québec, Canada

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Évaluation de la biodiversité des invertébrés

marins dans les ports commerciaux de l’Arctique

grâce à l’ADN environnemental

Mémoire

Noémie Leduc

Sous la direction de :

Louis Bernatchez, directeur de recherche

Philippe Archambault, codirecteur de recherche

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Résumé

D’abord méconnue puis longuement sous-estimée, la biodiversité de l’Arctique fait

maintenant face à d’importantes altérations sous les effets combinés des changements

climatiques ainsi que l’augmentation des activités commerciales dans l’Arctique canadien.

Ces altérations ne sont pas sans risque pour les communautés d’invertébrés marins,

particulièrement dans les zones sensibles telles que les ports commerciaux. La protection de

la biodiversité représente un enjeu majeur, nécessitant une bonne compréhension de

l’organisation spatiale des espèces au moyen d’indices de biodiversité tels que les indices

alpha, beta et gamma, de même que le développement de méthodes de détection efficace.

Dans le cadre de ce projet de maîtrise, la biodiversité obtenue à l’aide de méthodes

d’échantillonnage traditionnelle fut comparée à la biodiversité détectée par l’ADN

environnementale (ADNe), grâce au metabarcoding des gènes COI et 18S, afin de

documenter les patrons de biodiversité des communautés d’invertébrés marins à différentes

échelles spatiales. À partir d’échantillons d’eau de 250 ml récoltés à trois différentes

profondeurs au sein des ports de Churchill, Baie Déception et Iqaluit, il fut possible de déceler

la présence de 202 genres répartis dans plus de 15 phyla. De ces organismes, seulement 9 à

15% furent également collectés par les méthodes traditionnelles, révélant ainsi l’existence de

différences significatives au niveau de la richesse et de la composition des communautés

entre ces différentes approches d’échantillonnage. Outre ces différences majeures, cette étude

a permis de démontrer une réduction de la biodiversité beta dans les communautés détecter

à l’aide de l’ADNe comparativement aux communautés identifiées par la collecte de

spécimens. Cette homogénéisation de la biodiversité souligne le rôle non négligeable de la

dispersion de l’ADNe ainsi que l’influence notoire des stades de vie pélagique dans sa

détection. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude mettent bien en évidence le

potentiel du metabarcoding d’ADNe tout en insistant sur son caractère complémentaire face

aux méthodes traditionnelles pour d’éventuelles applications en gestion et conservation des

communautés d’invertébrés marins de l’Arctique.

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Abstract

Arctic biodiversity has long been underestimated and is now facing rapid transformations

due to ongoing climate change and other impacts including shipping activities. These changes

are placing marine coastal invertebrate communities at greater risk, especially in sensitive

areas such as commercial ports. Preserving biodiversity is a significant challenge, going far

beyond the protection of charismatic species and involving suitable knowledge of the

organization of species in space. Therefore, knowledge of alpha, beta and gamma

biodiversity indices are of great importance in achieving this objective together with new

cost-effective approaches to monitor changes in biodiversity. This study compares

metabarcoding of COI mitochondrial genes and 18S rRNA genes from environmental DNA

(eDNA) water samples with standard species collection methods to document patterns of

invertebrate communities at various spatial scales. Water samples (250 mL) were collected

at three different depths within three Canadian Arctic ports; Churchill, MB, Iqaluit, NU and

Deception Bay, QC. From these samples, 202 genera distributed across more than 15 phyla

were detected using eDNA metabarcoding, of which only 9% to 15% were also identified

through species collection at the same sites. Significant differences in taxonomic richness

and community composition were observed between eDNA and species collections, both on

local and regional scales. This study shows that eDNA dispersion in the Arctic Ocean reduces

beta diversity in comparison to species collection while emphasizing the importance of

pelagic life stages for eDNA detection. This study highlights the potential of eDNA

metabarcoding to assess large-scale arctic marine invertebrate diversity while emphasizing

that eDNA and species collection should be considered as complementary tools for providing

a more holistic picture of the marine invertebrate communities living in coastal areas.

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Table des matières

Résumé ............................................................................................................................................... ii

Abstract ............................................................................................................................................. iii

Table des matières ............................................................................................................................ iv

Liste des tableaux ............................................................................................................................. vi

Liste des figures ............................................................................................................................... vii

Remerciements ................................................................................................................................. ix

Avant-propos .................................................................................................................................... xi

Introduction ....................................................................................................................................... 1

Problématique générale ................................................................................................................... 1

L’Arctique dans un monde en changement ..................................................................................... 2

La biodiversité comme unité de gestion pour la conservation ........................................................ 3

Indices de biodiversité ................................................................................................................. 3

Méthodes pour recenser la biodiversité ...................................................................................... 5

L’utilisation d’outils moléculaires .................................................................................................. 5

Métabarcoding ............................................................................................................................ 5

ADN environnementale (ADNe) .................................................................................................. 6

Les invertébrés marins .................................................................................................................... 8

Contexte du projet ........................................................................................................................... 9

Objectifs ........................................................................................................................................ 10

Chapter I: Comparing eDNA metabarcoding and species collection for documenting Arctic

metazoan biodiversity ..................................................................................................................... 11

Résumé .......................................................................................................................................... 12

Abstract ......................................................................................................................................... 13

Introduction ................................................................................................................................... 14

Methods ......................................................................................................................................... 17

Sample collection ...................................................................................................................... 17

Species collection .................................................................................................................. 18

Environmental DNA samples ................................................................................................ 19

Metabarcoding .......................................................................................................................... 20

Environmental DNA extraction, amplification and sequencing ............................................ 20

Bioinformatics ........................................................................................................................... 21

Data analysis ............................................................................................................................. 22

Results ........................................................................................................................................... 23

Sequencing quality .................................................................................................................... 23

Arctic coastal gamma diversity ................................................................................................. 25

Alpha biodiversity ..................................................................................................................... 29

Beta diversity ............................................................................................................................. 32

Origin of coastal eDNA ............................................................................................................. 33

Discussion ..................................................................................................................................... 34

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v

Overall biodiversity and community structure .......................................................................... 35

Transport and homogenization of eDNA................................................................................... 38

Origins of eDNA ........................................................................................................................ 40

Role of eDNA in Arctic conservation ........................................................................................ 41

Acknowledgement ......................................................................................................................... 43

Annexe (Supporting information) ................................................................................................. 44

Conclusion ........................................................................................................................................ 55

ADNe vs. collecte d’espèces ......................................................................................................... 56

Origine, détection et transport de l’ADNe .................................................................................... 57

Faiblesses et limites du métabarcoding d’ADN environnemental ................................................ 58

Applications et perspectives futures pour la protection de la biodiversité .................................... 59

Bibliographie ................................................................................................................................... 61

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Liste des tableaux

Table 1. Summary of the numbers of reads, the proportion of species and genera present in

the Arctic historic database and the mean number of OTUs for the COI primers set and the

18S primers set assigned and non assigned on BOLD and SILVA for each port.

Table 2. Summary of richness, alpha and beta biodiversity indices for the eDNA and species

collection of marine invertebrates communities on abundance data after Hellinger

transformation (Shannon and Pielou indices) and presence/absence transformation (Beta

index). COI primer sets and 18S primer sets are added together.

Table S1. Barque 1.5.1 specific commands for preparation and analysis of pair-end reads.

The sequences from the different COI and 18S primers set were added together.

Table S2. Chordata taxa present in the eDNA data set (COI and 18S primers set added

together) and the appropriate action taken.

Table S3. Genera found in the negative field controls and the appropriate action taken

against the contamination according to COI and 18S primers set.

Table S4. Summary of PERMANOVA statistics tests on marine invertebrates communities

for the phylum relative abundance (number of taxa), Pielou evenness index and alpha

richness. The analyses were performed with method = "bray" for phylum relative abundance

while it was performed with method = "euclidian" for Pielou evenness and alpha richness.

Table S5. Summary of the correlation between dissimilarity and distance across the sites

within Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports based on incidence data for the different

sampling methods.

Table S6. Summary of the main phyla identified by sampling collection sampling methods

among Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports and their respective presence in BOLD

and SILVA public genetic databases.

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Liste des figures

Figure 1. Geographical location of Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports in the

Canadian Arctic (map A) and distribution of stations within Churchill (map B), Deception

Bay (map C) and Iqaluit (map D).

Figure 2. Individual-based rarefaction curves of eDNA, benthos and zooplankton genera for

Churchill (blue), Deception Bay (yellow) and Iqaluit ports (magenta) based on incidence

data.

Figure 3. a) Barplots of the number of taxa found in Churchill (blue), Deception Bay

(yellow) and Iqaluit (red). Darker bands represent species collection methods while paler

bands with dashed outline represent eDNA and black bands represent the number of genera

in common between eDNA and species collection. b) Phylum relative proportion of commun

genera between eDNA and species collection based on incidence data. COI and 18S primer

sets are added together for both a) and b).

Figure 4. Marine invertebrate taxonomic composition at the phylum level for eDNA and

species collection methods, respectively, within Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports,

based on incidence data. The COI and 18S regions are added together for the eDNA barplot

while the benthic trawl, core, grab and net tows samples are added together for the species

collection barplot.

Figure 5. Biodiversity differences A) among ports based on eDNA only and B) among

sampling methods within ports. Ordination of taxonomic composition (genera) calculated

using Sorensen index (incidence based) with each data point representing a specific sample;

blue squares represent Churchill, yellow dots represent Deception Bay and magenta triangles

represent Iqaluit. Filled symbols are associated with eDNA while empty symbols are

associated with species collections.

Figure 6. Boxplot on alpha diversity for the genera richness and Pielou evenness index in

Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports for eDNA (A, C) and species collection (B, D).

These analyses were performed on abundance data with Hellinger transformation, COI and

18S primer sets are added together for the eDNA boxplot.

Figure 7. Sorensen dissimilarity index between pairs of stations as a function of distance

between the stations based on incidence data (presence/absence transformation on

abundance) for different sampling methods (eDNA and species collections of benthos and

zooplankton) in Churchill (blue), Deception Bay (yellow) and Iqaluit (magenta).

Figure 8. Relative abundance of organisms obtained with eDNA and species collection

within Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports according to their life history; taxa with a

meroplanktonic life stage, holoplanktonic taxa life stage. Species collection for benthos

include benthic trawl, Van Veen grab, cores and for zooplankton includes pelagic plankton

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net tows. The sum of the detection of each taxa (i.e. presence/absence) have been combined

for all primer sets.

Figure S1. The number of Operational taxonomic units (OTUs) assigned and not assigned

on NCBI to the genus level for the COI primers set (COI1 and COI2) and the 18S primers

set (Tareuk and 18S). The assigned OTUs are represented by the grey section of the barplot

while the not assigned OTUs are represented by the red section of the barplot. The

pourcentage written in red represented the mean of the 4 primers for not assigned OTUs in

each port.

Figure S2. Boxplot on alpha diversity for Shannon biodiversity index in Churchill,

Deception Bay and Iqaluit ports. These analyses were performed on abundance data with

Hellinger transformation, COI and 18S primer sets are added together for the eDNA boxplot.

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Remerciements

Je voudrais avant tout remercier mon directeur de recherche, le Dr Louis Bernatchez, que ce

soit des plongées en apnée dans les îles Galápagos, aux salles de cours puis finalement

comme directeur de recherche, ta passion pour la science et la génétique est contagieuse et

ne cessera de m’impressionner. Merci de m’avoir accueillie dans ton laboratoire de même

que la grande famille qui le compose ainsi que pour ta confiance en moi depuis mes tout

début dans le domaine de la biologie moléculaire. Ces trois dernières années furent

extrêmement riches en expériences, tant sur le plan personnel que professionnel en grande

partie grâce aux opportunités que tu m’as offertes dans le cadre de ma maîtrise.

J’aimerais également remercier mon codirecteur de recherche, le Dr Philippe Archambault,

pour sa patience, son expertise incroyable ainsi que son émerveillement devant chacun de

mes petits résultats. Merci Phil pour ton écoute et tes précieux conseils, qui ont su me

remonter le moral dans les moments de doutes.

La réussite de ce projet repose également sur la participation de plusieurs personnes. Je tiens

à remercier Anaïs Lacoursière-Roussel pour m’avoir guidée dès mes premiers pas en tant

qu’étudiante à la maîtrise et pour avoir investi beaucoup de temps et d’énergie dans

l’ensemble du projet, de son élaboration jusqu’à la collecte des précieux échantillons et

finalement son aboutissement avec le mémoire ci-présent. Je voudrais également remercier

Kimberly Howland, sans qui ce projet n’aurait pas pu voir le jour tel qu’il est aujourd’hui de

même que Maelle Sevellec, qui malgré le décalage horaire a toujours été présente avec le

sourire à nos rencontres Skype et a su m’encourager et me fournir de précieux conseils pour

la conception de ce manuscript.

Je voudrais ensuite remercier les membres du laboratoire Bernatchez pour leur agréable

compagnie ainsi que leur complicité au cours de ces dernières années. Merci plus

particulièrement aux professionnels de recherche Alysse Perreault-Payette, Cécilia

Hernandez et Bérénice Bougas pour avoir partagé avec moi leurs connaissances, leur

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x

expertise en laboratoire de même que pour leurs nombreux conseils. Merci à notre

bioinformaticien Éric Normandeau pour son souci du détail et sa disponibilité pour répondre

aux nombreuses embuches qu’accompagne souvent la bioinformatique. Merci à Damien

Boivin-Delisle, mon "eDNA partner", pour nos discussions diverses mais toujours

enrichissantes de même que nos divagations par certains moments. Finalement merci à

Valérie Cypihot du laboratoire Archambault, pour son amitié, son aide sur le terrain, sa

compagnie lors de nos congrès ainsi que ses conseils.

Pour finir, un grand merci aux membres de ma famille et de ma belle-famille pour leur

encouragement, et par-dessus tout mes parents pour leur soutien et leur confiance en moi

depuis le début de mes études. Je remercie mes amies de la boite de céréales, plus

spécialement Justine Létourneau pour son aide et sa compagnie de grande qualité au sein du

laboratoire. Finalement je remercie tout spécialement mon copain, Gabriel, pour son support

inconditionnel depuis le début de ma maîtrise, son sens de l’humour et son optimisme au

quotidien.

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xi

Avant-propos

Ce mémoire est principalement composé d’un article intitulé « Comparing eDNA

metabarcoding and species collection for documenting Arctic metazoan biodiversity ». Cet

article a été soumis à la revue « Environmental DNA » et est actuellement en processus de

révision.

Les co-auteurs sont mesdames Kimberly Howland, Maelle Sevellec, Anaïs Lacoursière-

Roussel, monsieur Éric Normandeau, mon co-directeur Philippe Archambault et mon

directeur Louis Bernatchez.

Anaïs Lacoursière-Roussel, Kimberly Howland, ont élaboré l’étude globale dans lequel

s’inscrit mon projet de maîtrise, organisé les campagnes d’échantillonnage de même que

participé à la collecte d’échantillons sur le terrain. Éric Normandeau a conçu le pipeline

bioinformatique ayant servi aux traitements des données d’ADNe suite au séquençage.

Maelle Sevellec a contribuer aux analyses statistiques de même qu’à la rédaction de l’article

dans son ensemble. Pour ma part, j’ai réalisé le travail sur le terrain et au laboratoire, rédigé

l’article (auteure principale) et effectué l’analyse et l’interprétation des résultats avec l’aide

de mes co-auteurs. Tous les co-auteurs ont également collaboré à la révision du manuscript.

Ce projet a été financé par le réseau de centres d’excellence ArcticNet, le programme fédéral

Savoir polaire Canada (POLAIRE) ainsi que le regroupement Québec-Océan.

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1

Introduction

Problématique générale

Depuis le Sommet de la Terre à Rio de Janeiro en 1992, l’intérêt porté à la biodiversité de

même qu’aux conséquences possibles que celle-ci peut engendrer en cas de perte, n’a cessé

de croître et de stimuler la recherche scientifique (Cardinale et al. 2012). Malgré cet intérêt

notoire pour la biodiversité, l’anthropocène plonge la planète dans une importante extinction

de masse, où la surexploitation, la destruction des habitats et les changements climatiques

entraînent chaque jour la disparition de plusieurs espèces (Young et al. 2016). Le maintien

de la biodiversité est nécessaire afin de soutenir la stabilité des processus écosystémiques

dans des environnement en perpétuels changement (Loreau et de Mazancourt 2013) de ce

fait, son déclin actuel représente une crise majeure ainsi qu’un défi considérable pour le 21ème

siècle (Vié et al. 2009).

Parmi les habitats les plus affectés par cette crise on retrouve l’océan Arctique (Jørgensen et

al. 2016). Ce dernier étant le plus petit océan de la planète mais également le moins connu

de tous en raison de son emplacement géographique, ses conditions météorologiques hostiles

ainsi que sa couverture de glace récurrente (National Research Council 1995). Considéré

jusqu’à récemment comme l’un des endroits les plus intact du globe (UNESCO 2010),

l’océan Arctique possède une biodiversité bien supérieure à ce qui était estimé en raison de

connaissances rudimentaires à son sujet (Darnis et al. 2012). Face aux nombreux enjeux

existants, un besoin urgent est né afin de pallier au manque d’informations relatif à la

diversité de même qu’à la distribution des espèces présente dans l’Arctique et ce dans l’espoir

de pouvoir minimiser les impacts en grande partie imposés par l’humain sur la biodiversité

marine de cet océan (Bluhm et al. 2011).

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2

L’Arctique dans un monde en changement

Les changements climatiques actuels causent d’importantes altérations aux patrons de

biodiversité à l’échelle de la planète par l’extinction de nombreuses espèces. Globalement,

près de 8% des extinctions d’espèces dans le futur découleraient directement de ces

changements climatiques (Urban 2015). Les habitats marins ne sont pas épargnés par cette

crise, l’augmentation de la température de l’eau, l’acidification des océans, ainsi que les

changements physicochimiques reliés à ces phénomènes causent la dégradation des habitats

(Hoegh-Guldberg et Bruno 2010). De ces changements climatiques résulte également une

importante fonte des glaces qui façonne de nouveaux paysages (Kintisch 2015) et entraine

par le fait même une augmentation considérable des activités humaines dans certains secteurs

maritimes (Ruffilli 2011) .

Lors de la saison estivale, alors que la couverture de glace est à son minimum, c’est 75% de

son volume qui est perdu depuis 1979 (Kintisch 2015). Cette perte importante de glace dans

l’océan Arctique permet l’ouverture de nouveaux chemins pour la navigation des bateaux

commerciaux (Vermeij et Roopnarine 2008) en plus d’augmenter la durée où la navigation

est praticable à certains endroits. Dans le cadre de sa Stratégie pour le Nord, le gouvernement

du Canada compte promouvoir le développement social et économique des communautés

nordiques, ce qui combiné à la popularité grandissante de l’Arctique pour le tourisme et

l’industrie des croisières augmentera considérablement la circulation maritime au cours des

prochaines décennies (Gavrilchuk et al. 2013).

Les effets associés du réchauffement climatique ainsi que de l’augmentation des activités

anthropiques auront des répercussions directes sur la biodiversité ainsi que la distribution des

communautés marines. Ces conséquences seront d’autant plus considérables pour les régions

côtières, qui sont sujettes à de plus grandes pertes de diversité en raison des utilisations

conflictuelles des habitats qui les composent (Gray 1997). De plus, l’augmentation du trafic

maritime devrait accentuer les risques d’introduction d’espèces exotiques (Goldsmit et al.

2017 et 2019). Les principaux vecteurs d’introduction d’espèces exotiques étant bien souvent

l’eau de lest ainsi que les salissures biologiques des coques des bateaux (Piola et al. 2009)

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3

qui transportent et déchargent une quantité non négligeable d’organismes à des distances qui

dépassent largement leur capacité naturelle de dispersion (Casas-Monroy et al. 2014), une

augmentation significative du risque d’introduction d’espèces exotiques est attendu dans

l’Arctique canadien au cours des prochaines années (Mooney et Cleland 2001; Casas-

Monroy et al. 2014). Dans certains cas, ces espèces exotiques peuvent devenir des espèces

envahissantes, ayant la capacité d’engendrer de profonds changements écologiques (Carlton

1993) et causer des pertes majeures de biodiversité (Williamson 1999).

Dans un tel contexte, où la biodiversité de même que la composition des communautés

marines sont appelés à connaître d’importantes altérations liées à divers facteurs, des

méthodes permettant une détection rapide et efficiente des changements de biodiversité sont

plus que nécessaires.

La biodiversité comme unité de gestion pour la conservation

Indices de biodiversité

La biodiversité, concept ayant vu le jour dans les années 1980 (Pimm 2001), décrit la variété

structurelle et fonctionnelle de l’ensemble des formes de vie tant au niveau de la génétique,

des populations que des écosystèmes (Sandlund et al. 1992). Depuis quelques années, la

conservation de la biodiversité marine devient progressivement un objectif capital en gestion

environnementale (Spalding et al. 2007), nécessitant ainsi suffisamment d’informations et de

bases de données sur les organismes concernés (Laurila-Pant et al. 2015). Les indices de

biodiversité constituent une approche écologique classique afin d’évaluer la biodiversité,

ceux-ci prenant en considération deux aspects majeurs des communautés soit la richesse

spécifique ainsi que l’abondance relative des individus au sein de chaque espèce (Hamilton

2005, Laurila-Pant et al. 2015). Plusieurs indices existent afin de pouvoir quantifier le rythme

auquel la biodiversité varie dans le temps et l’espace (Gaston 2000), que ce soit au niveau de

l’espèce ou de la communauté et selon différentes échelles spatiales et/ou organisationnelles

à travers les valeurs descriptives alpha, beta et gamma.

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4

La biodiversité alpha représente l’assemblage d’une communauté à basse échelle et constitue

la plus petite mesure de la biodiversité (MacArthur 1965), elle reflète habituellement la

richesse spécifique d’un lieu. C’est également l’indice de biodiversité le plus utilisé et revêt

d’une importance cruciale pour la conservation (Socolar et al. 2015). Comme cet indice est

fortement influencé par la taille des échantillons ainsi que par l’envergure des lieux

échantillonnés et peut être biaisée par ces paramètres il est important d’utiliser des techniques

statistiques qui tiennent comptent de ces derniers, telle que la standardisation des données

(Roff et Mark 2011).

La diversité beta, aussi appelée « turnover diversity » fait référence au degré de changement

dans la composition des espèces le long d’un certain gradient (Gray 2000). Cet indice peut

être interprété comme le taux de variation dans la composition des espèces par rapport à

l’environnement ou au sein de communautés (Roff et Mark 2011; Van Dyke 2010), en

fonction de processus menant à l’homogénéisation ou l’hétérogénéisation des communautés.

De ce fait, une bonne compréhension de la diversité beta est essentielle afin de protéger la

biodiversité régionale ainsi que dans l’optique de contribuer directement aux plans de

conservation (Socolar et al. 2015). La diversité beta est une mesure d’autant plus importante

pour les communautés sujettes à d’importantes perturbations (Mori et al. 2018).

Finalement, la diversité gamma constitue quant à elle la diversité totale d’une région donnée,

représentant ainsi la richesse spécifique de chacun des différents habitats au sein de celle-ci.

Puisque l’indice de biodiversité gamma désigne le regroupement d’indice de biodiversité

alpha pour une région, celle-ci est exprimé dans les mêmes unités que cette dernière (Laurila-

Pant et al. 2015).

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5

Méthodes pour recenser la biodiversité

Actuellement, et depuis plusieurs décennies, la majorité des suivis de biodiversité en milieu

aquatique sont basés sur l’identification morphologique des organismes, que ce soit au moyen

de sondages visuels ou du dénombrement des individus directement sur le terrain. Ces

méthodes requièrent toutefois des notions de taxonomie avancées, dans un contexte où les

spécialistes pratiquant cette discipline se font de plus en plus rares (Archambault et al., 2010),

créant ainsi une demande pour des approches d’identifications alternatives (Radulovici et al.

2010 ; Thomsen et Willerslev 2015). De plus, certaines techniques d’inventaires

traditionnelles comme le chalutage de fond peuvent se révéler invasives et dommageables

pour les espèces et les écosystèmes (Baldwin et al. 1996; Jones 1992; Robertson et Smith-

Vaniz 2008). À cela s’ajoute la logistique souvent complexe associée aux instruments

d’échantillonnage traditionnel (chalut, benne Van Veen, filets) dans des régions éloignées

et/ou difficiles d’accès tel que l’Arctique (Jorgensen et al. 2016). Le développement de

nouveaux outils non-invasifs permettrait de remédier à certain de ces désavantages et

améliorerait potentiellement la capacité d’échantillonner la biodiversité marine à large

échelle tout en ayant un minimum d’impacts négatifs sur celle-ci.

L’utilisation d’outils moléculaires

Métabarcoding

L’identification simultanée de plusieurs taxons par code-barres ADN (métabarcoding) se

veut être une méthode fort attrayante afin de décrire la composition de communautés

biologiques complexes ainsi que pour en estimer la biodiversité (Brown et al. 2015). Cette

technique est utilisée depuis plusieurs décennies chez les microbiologistes (Coissac et al.

2012) et exploite la diversité génétique présente au sein de séquences particulières d’ADN

chez les organismes afin de les distinguer les uns des autres et de les identifier. Ces séquences

représentent des identifiants génétiques se trouvant à l’intérieur de chaque cellule (Hebert et

al. 2003). Ces marqueurs génétiques doivent être le plus universel possible tout en ayant juste

assez de dissimilitudes pour pouvoir différencier les espèces ou les groupes d’intérêt ainsi, le

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6

choix des marqueurs d’ADN appropriés dépend fortement de la résolution désirée pour

l’identification (Drummond et al., 2015).

Le gène de la sous-unité I du cytochrome c (COI), un gène codant une protéine de l’ADN

mitochondrial (ADNmt), est souvent défini comme le marqueur de référence pour le

métabarcoding des métazoaires, car celui-ci permet d’identifier un nombre abondant de

phylum en plus d’avoir une variation génétique permettant d’effectuer le discernement au

niveau des espèces (Hebert et al. 2003; Deagle et al., 2014). De plus, l’ADNmt est davantage

présent que l’ADN nucléaire au sein des cellules, et ce même dans des milieux qui

contiennent de faibles concentrations d’ADN et lorsque celui-ci est dégradé (Rees et al.

2014). Le marqueur 18S, gène présent sur l’ARN ribosomique (ARNr) est aussi largement

utilisé en raison de sa taille et de son abondance dans le génome, en plus de sa caractéristique

à être peu sujet aux mutations, ce qui fait de lui un bon candidat pour distinguer les différents

phyla entre eux (Carugati et al. 2015). Les marqueurs COI et 18S sont souvent ciblés comme

code-barres génétiques en raison de leur accessibilité dans les bases de données publiques

telles que BOLD, SILVA et GenBank.

ADN environnementale (ADNe)

Depuis que Ficetola et al. (2008) ont démontré qu’il était possible de détecter la présence de

vertébrés en utilisant l’ADNe contenu dans des échantillons d’eau, l’intérêt pour l’ADNe

comme outil pour la conservation des poissons, des invertébrés aquatiques et des amphibiens

s’est rapidement intensifié (Goldberg et al. 2015). Comme toutes espèces interagissant avec

leur environnement, celles-ci rejettent constamment de leur ADN dans les endroits qu’elles

fréquentent (Thomsen et Willerslev 2015). Cet ADN représente du matériel génétique

pouvant provenir de gamètes, d’œufs, de fèces, d’urine, de mucus, de salive, ou encore de

sang (Bohmann et al. 2014; Keskin 2014; Rees et al. 2014). Une fois relâché dans

l’environnement, la détection de l’ADNe dépend de trois processus distincts soient sa

production, son transport ainsi que sa dégradation (Goldberg et al., 2015). Différents taux de

production d’ADNe chez de multiples organismes peuvent être attribuables à la taille, l’état

Page 19: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

7

de santé, le sexe et la densité de ceux-ci, sans oublier la température du milieu puisque cette

dernière possède une influence majeure sur le métabolisme des organismes (Goldberg et al.

2015; Klymus et al. 2015; Lacoursière-Roussel et al. 2016). La préservation de l’ADN varie

grandement selon le milieu allant de quelques semaines dans les eaux tempérées à plusieurs

milliers d’années dans le permafrost, tout dépendamment de certains facteurs. Les

endonucléases présentes dans le milieu, l’eau, les radiations UV ainsi que l’action des

bactéries ou champignons représentent tous des conditions environnementales qui

contribuent à la dégradation de l’ADN dans différents écosystèmes (Shapiro 2008).

L’utilisation de l’ADNe constitue non seulement une méthode surpassant certains défis

techniques, mais représente également une méthode non invasive qui contribue à diminuer

grandement les perturbations dans les habitats des espèces recensées (Bohmann et al. 2014).

L’utilisation de l’ADNe s’est également révélée être plus efficiente pour détecter les espèces

rares ainsi que les espèces difficiles d’approche comparativement aux méthodes

d’échantillonnage traditionnelle (Goldberg et al. 2015; Smart et al. 2015). Combiné au

metabarcoding, l’ADNe peut fournir un portrait instantané des communautés locales sans

avoir à échantillonner directement chaque organisme présent. Ces nouveaux outils

moléculaires représentent une nouvelle méthode de caractérisation de la biodiversité remplie

de potentiel, constituant une opportunité d’augmenter considérablement l’efficacité des

relevés de biodiversité. Toutefois, il demeure important de souligner que comme toute

approche d’échantillonnage, l’ADNe possède également ces faiblesses. Les principales

lacunes reposent sur son lien étroit avec la qualité des bases de données publiques (Kwong

et al. 2012; Elbrecht et al. 2017) de même que sur une detection grandement influencée par

les amorces utilisées et leurs sources de biais respectives (Elbretch et Leese 2015).

De récentes études portant sur les écosystèmes marins côtiers ont démontrées l’efficacité du

métabarcoding d’ADNe pour en décrire la biodiversité (Deiner et al. 2017 ; Lacoursière-

Roussel et al. 2018). Bien que plusieurs études soient parvenues à détecter une plus grande

richesse à l’aide de l’ADNe comparativement aux méthodes traditionnelles en ce qui a trait

aux communautés de poissons (Thomsen et al. 2012 ; Yamamoto et al. 2017), peu d’études

on fait l’analyse de communautés à l’aide d’indices de biodiversité à plusieurs échelles

Page 20: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

8

spatiales entre l’ADNe et les méthodes conventionnelles de collecte de spécimens, qui plus

est dans un milieu extrême comme l’Arctique.

Les invertébrés marins

Bien qu’en écologie la tendance générale prévoit une diminution de la biodiversité face à une

augmentation du gradient latitudinal, les invertébrés marins font potentiellement exception à

cette règle (Kendall 1996). En effet, Wei et al. (en révision) ont récemment montré que la

diversité d’organismes benthiques était plus grande dans l’Arctique Canadien que dans les

eaux canadiennes de l’Atlantique. Certaines études suggèrent qu’il y aurait plus de 4000

espèces d’invertébrés habitant l’océan Arctique (Gradinger et al. 2010 ; Piepenburg et al.

2011 ; Jorgensen et al. 2013) dont plus de 90% au niveau benthique (Josefson et al. 2013),

mais qu’entre 20 et 30% demeurent à découvrir (Pienpenburg et al. 2011, Snelgrove 2010).

Parmi ces organismes, certains n’effectueront que certains stades de leur cycle de vie parmi

le plancton et seront qualifiés de méroplancton alors que d’autres organismes passeront quant

à eux l’entièreté de leur cycle de vie en mode pélagique et seront qualifiés d’holoplancton

(Marcus et Boero 1998).

L’assemblage des organismes benthiques et planctoniques joue un rôle de premier plan dans

la productivité ainsi que dans la structure biologique des écosystèmes marins (Marcus et

Boero 1998). Leur présence dans la diète de poissons, d’oiseaux et de mammifères souligne

bien leur importance dans le réseau trophique (Gajbhiye 2002, Bluhm et al. 2008, CAFF

International Secreteriat 2010). Par conséquent, des changements dans les communautés

d’invertébrés marins pourraient affecter non seulement la stabilité des écosystèmes mais

perturber également les habitudes alimentaires des communautés humaines (Ruiz et al. 1997,

Guyot et al. 2006), qui sont encore grandement dépendante de l’accessibilité de la nourriture

sauvage (Van Oostdam et al. 2005 ; McNeely et Shulski 2011).

Page 21: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

9

La distribution hétérogène de même que la difficulté d’identifier correctement les invertébrés

marins rend toutefois plus ardu le suivi de leur biodiversité (Ministère de l’Environnement

2006 ; Jaroslaw et al. 2016). De plus, le nombre d’espèces exotiques envahissantes a plus

que triplé au cours des dernières décennies en Amérique du Nord ainsi que dans les

environnements marins nordiques chez les invertébrés. Jumelé au nombre considérable

d’espèces cryptiques parmi de ces organismes (Knowlton 1993), des méthodes de suivi

fiables sont plus que nécessaire en prévision des changements majeurs que s’apprêtent à vivre

les communautés marine de l’Arctique (Millenium Ecosystem Assessment 2005 ; UNEP

2006).

Contexte du projet

Ce projet de maîtrise s’inscrit dans l’un des quatre volets d’un programme de recherche

fédéral de grande envergure ayant comme objectif général le recensement des communautés

d’invertébrés marins benthiques et pélagiques des principaux ports commerciaux de

l’Arctique canadien. Le but est avant tout d’établir les meilleures banques de données

possibles sur la biodiversité actuelle de ces lieux afin d’être en mesure de pouvoir développer

un suivi efficace de la composition des communautés de même qu’une surveillance accrue

des espèces aquatiques envahissantes susceptibles de s’introduire dans ces communautés.

Cette étude inclut la participation active de l’organisme gouvernemental Pêches et Océans

Canada, de l’organisation Savoir polaire Canada (POLAIRE) ainsi que du réseau de centres

d’excellence du Canada ArcticNet. En prévision d’une augmentation de la navigation en lien

avec le développement économique de la région et des changements climatiques, combinés

aux impacts des changements climatiques eux-mêmes, de nouvelles méthodes

d’échantillonnage alliant faibles coûts et peu de matériel à transporter en région éloignée

suscitent beaucoup d’intérêt. Ce projet de maîtrise contribuera à approfondir nos

connaissances sur le metabarcoding de l’ADN environnemental comme outil de détection de

la biodiversité des invertébrés marins dans des écosystèmes fragiles et productifs tels que les

ports commerciaux afin de mieux en évaluer le potentiel pour de futurs plans de gestion et

de conservation.

Page 22: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

10

Objectifs

Dans le cadre de ce projet de maîtrise, il fut question de mettre en relation diverses notions

faisant appel à l’écologie tel que les indices de biodiversité ainsi que des outils moléculaires

tel que le metabarcoding afin d’améliorer nos connaissances sur l’efficacité et l’écologie de

l’ADN environnemental (ADNe) tout en réalisant un bilan de la biodiversité des invertébrés

marins dans trois écosystèmes portuaires de l’Arctique. L’objectif global étant de comparer

les patrons de biodiversité obtenu à différentes échelles spatiales entre l’ADNe et les

méthodes conventionnelles de collecte de spécimens. Pour ce faire, les buts de cette étude

étaient 1) de comparer la biodiversité gamma (richesse spécifique de chacun des ports)

obtenue avec l’ADNe et la collecte de spécimens (chalut, benne Van Veen, carottes de

sédiments et filets) ; 2) obtenir une meilleure compréhension sur des processus tels que la

dispersion, l’hétérogénéisation ou l’homogénéisation biotique des communautés grâce aux

indices de biodiversité alpha et beta et ; 3) examiner comment les cycles de vie des

organismes contribuent et influencent la détection de l’ADNe des invertébrés marins en

milieux côtiers. Ce projet permettra d’acquérir de plus amples notions sur l’ADNe

permettant ainsi d’orienter ce nouvel outil vers une utilisation plus efficiente, notamment

dans les domaines de la gestion et de la conservation.

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11

Chapter I: Comparing eDNA metabarcoding and species

collection for documenting Arctic metazoan biodiversity

Chapitre I : Comparaison du métabarcoding d’ADNe et de la collecte

d’espèces afin de documenter la biodiversité des métazoaires de l’Arctique

Page 24: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

12

Résumé

Méconnue puis sous-estimée, la biodiversité de l’océan Arctique fait maintenant face à de

nombreux changements en lien avec diverses perturbations d’origine environnemental et

anthropique. Ces transformations menacent plusieurs communautés marines,

particulièrement dans les écosystèmes sensibles tels que les ports commerciaux. La

protection de la biodiversité représente un défi considérable, allant bien au-delà de l’intérêt

porté à quelques espèces charismatiques et nécessitant avant tout de bonnes connaissances

sur l’organisation spatiale des espèces. Dans ce contexte, l’utilisation d’indices de

biodiversité de même que l’acquisition de nouvelles techniques permettant d’évaluer

efficacement la biodiversité se révèlent d’une importance capitale. Cette étude vise à

comparer la biodiversité de même que la composition des communautés d’invertébrés marins

collectées à l’aide de méthodes traditionnelles à celles obtenues grâce à une nouvelle

approche moléculaire ; le metabarcoding d’ADN environnemental (ADNe). Pour ce faire,

des échantillons d’eau de 250 ml furent récoltés à trois différentes profondeurs au sein de 3

ports commerciaux de l’Arctique, soit les ports de Churchill, Baie Déception et Iqaluit. À

partir de ces échantillons, il fut possible d’identifier 202 genres répartis dans plus de 15 phyla

grâce à l’ADNe. De ces organismes, seulement 9 à 15% furent également collectés par les

méthodes traditionnelles, révélant ainsi l’existence de différences significatives au niveau de

la richesse et de la composition des communautés entre ces différentes approches

d’échantillonnage. Parmi les facteurs responsables de ces différences figurent la dispersion

des molécules d’ADNe ainsi que les différences inter-spécifiques dans le cycle vital. Les

résultats obtenus dans le cadre de cette étude mettent bien en évidence la capacité de ces

nouveaux outils moléculaires tout en soulignant leurs caractères complémentaires aux

méthodes traditionnelles pour d’éventuelles applications en gestion et conservation de la

faune marine de l’Arctique.

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13

Abstract

Arctic biodiversity has long been underestimated and is now facing rapid transformations

due to ongoing climate change and other impacts including shipping activities. These changes

are placing marine coastal invertebrate communities at greater risk, especially in sensitive

areas such as commercial ports. Preserving biodiversity is a significant challenge, going far

beyond the protection of charismatic species and involving suitable knowledge of the

organization of species in space. Therefore, knowledge of alpha, beta and gamma

biodiversity indices are of great importance in achieving this objective together with new

cost-effective approaches to monitor changes in biodiversity. This study compares

metabarcoding of COI mitochondrial genes and 18S rRNA genes from environmental DNA

(eDNA) water samples with standard species collection methods to document patterns of

invertebrate communities at various spatial scales. Water samples (250 mL) were collected

at three different depths within three Canadian Arctic ports; Churchill, MB, Iqaluit, NU and

Deception Bay, QC. From these samples, 202 genera distributed across more than 15 phyla

were detected using eDNA metabarcoding, of which only 9% to 15% were also identified

through species collection at the same sites. Significant differences in taxonomic richness

and community composition were observed between eDNA and species collections, both on

local and regional scales. This study shows that eDNA dispersion in the Arctic Ocean reduces

beta diversity in comparison to species collection while emphasizing the importance of

pelagic life stages for eDNA detection. This study highlights the potential of eDNA

metabarcoding to assess large-scale arctic marine invertebrate diversity while emphasizing

that eDNA and species collection should be considered as complementary tools for providing

a more holistic picture of the marine invertebrate communities living in coastal areas.

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Introduction

The Arctic Ocean has been poorly surveyed, but likely harbors a much larger proportion of

undetected biodiversity than previously thought due to a lack of monitoring (Archambault et

al. 2010, Darnis et al. 2012). Recent estimates suggest that there are more than 4000

invertebrate’s species inhabiting the Arctic Ocean (Gradinger et al. 2010, Piepenburg et al.

2011, Jorgensen et al. 2016) with more than 90% being benthic organisms (Josefson et al.

2013). The general pattern of biodiversity decline with increasing latitude may not apply to

marine invertebrates (Kendall 1996) in which a great diversity is found and many species

await discovery (Archambault et al. 2010, Piepenburg et al. 2011). Recently, Wei et al (in

revision) showed that benthic diversity was more diverse in the Canadian Arctic than in

Canadian Atlantic waters. Previously, considered as the second most pristine oceans on earth

(UNESCO 2010), this ecosystem has experienced extensive environmental change since the

1950s (IPCC 2018). In addition to warmer temperatures, increased acidification and greater

freshwater inputs (Arctic Climate Impact Assessment [ACIA] 2004), other activities such as

marine shipping (ACIA 2004, Chan et al. 2012) and the associated risk of introduction of

non-indigenous species (NIS), are increasing (Casas-Monroy et al. 2013, Chan et al. 2013,

Goldsmit et al. 2017, 2019). The number of invasive species has more than tripled since the

beginning of the century in North America and in northern environments (Millennium

Ecosystem Assessment 2005; UNEP 2006). Comprehensive baseline surveys and ongoing

monitoring are thus essential in the Arctic, especially due to the large number of cryptic and

cryptogenic species (Knowlton 1993, Carlton 1996, Goldsmit et al. 2014). However, a better

understanding the invertebrate community structure and its temporal change is challenged by

their heterogeneous distribution, taxonomy and limitations of sampling under ice cover

(Ministry of Environment 2006; Jaroslaw et al. 2016).

The design of a robust monitoring approach aimed at evaluating biodiversity changes such

as species losses and processes that maintain species diversity over longer time frames must

accurately consider the spatial and temporal organization of biodiversity. Diversity can be

measured using different taxonomy-based metrics and at various scales through alpha, beta

and gamma diversity indices. Although alpha biodiversity, which represents the species

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15

assemblage of a relatively small area, termed “within-habitat diversity” (MacArthur 1965),

is the most commonly studied biodiversity scale. Beta diversity, often referred as “turnover

diversity”, is the variation in species composition (as a function of presence absence or

relative abundance) among local species assemblages which depends on the balance of biotic

heterogenization and homogenization, and therefore, essential for evaluating responses of

communities to significant disturbances (Mori et al. 2018). Lastly, gamma diversity refers to

the species assemblage of large areas. e.g., regional diversity (Socolar et al. 2015) and is

expressed in the same units as alpha diversity (Laurila-Pant et al. 2015). Large-scale

biodiversity monitoring is essential for understanding more extensive changes in coastal

community composition, but this is logistically challenging and costly in remote areas such

as the Arctic. Coastal metazoan collections are generally invasive (e.g. trawling, grab

sampling), selective, frequently limited to the summer open water period, and rely on some

degree of subjectivity with respect to taxonomic expertise (Jones 1992; Jorgensen et al.

2016).

Ten years after the pioneering study by Ficetola et al. (2008), the environmental DNA

(eDNA) approach offers major advantages over conventional monitoring methods and is

perceived as a game changer for ecological research (Creer et al. 2016). This approach

involves collection and detection of DNA that has been excreted by organisms into the

surrounding environment through metabolic waste products, gametes or decomposition

(Taberlet et al. 2018; Hansen et al. 2018). Analysis of eDNA with metabarcoding, which is

a rapid method of biodiversity assessment that links taxonomy with high-throughput DNA

sequencing (Ji et al. 2013), can provide a snapshot of local species composition without the

need for sampling of individual organisms. Recent studies in coastal marine ecosystems have

demonstrated the feasibility of eDNA metabarcoding to document marine metazoan

biodiversity in the Arctic (Lacoursière-Roussel et al. 2018; Grey et al. 2018). Despite limited

knowledge of the ecology of eDNA (i.e. origin, fate, state and transport; Barnes and Turner

2016), eDNA is increasingly being incorporated within monitoring toolboxes for a large

variety of aquatic organisms and ecosystems (Roussel et al. 2015, Deiner et al. 2017).

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16

However, like any sampling approach, eDNA metabarcoding also has its weaknesses which

must be considered to avoid misinterpretation of the results. Although this molecular tool

allows rapid assessment of biodiversity, database gaps hamper the use of eDNA as sequence

assignments are highly dependent on their presence in public databases (Kwong et al. 2012;

Elbrecht et al. 2017). Organism detection is also restricted by the primers used and their

respective biases (Elbretch and Leese 2015). Furthermore, eDNA does not provide any

physiological information or even health information on the organisms detected unlike direct

species collection (Thomsen and Willerslev 2015).

While many studies have compared species composition measured by eDNA with

conventional methods in fish (e.g. Thomsen et al. 2012, Yamamoto et al. 2017), few such

comparative studies have been performed on invertebrates, and even less have considered

the spatial scales of observation. Among marine invertebrate species, meroplankton

(organisms having planktonic larval life stages) and holoplankton (organisms spending their

entire life in planktonic state) represent key components of the food web and ecosystem

stability (Marcus and Boero 1998; Gajbhiye 2002). A better understanding how complex

planktonic life-stages of invertebrates affect the origin and transport of eDNA in coastal

environments is essential to developing genomics-based biodiversity indices aimed at

informing conservation plans.

The main objective of this study is to compare patterns of biodiversity at different spatial

scales revealed by eDNA metabarcoding and conventional species collection within and

among three ports in the Canadian Arctic Ocean. More specifically, gamma biodiversity

(species richness between ports), was compared based on results from eDNA and

conventional collecting methods, namely benthic trawl, Van Veen grab, cores and plankton

net tows. Secondly, alpha (species richness within ports) and beta (similarity of species

between sites within ports) biodiversity indices were contrasted for results based on eDNA

and species collections, to better understand how eDNA may inform species distributions

and ecological processes such as dispersion and biotic heterogenization or homogenization.

Finally, the life histories of organisms were considered in order to interpret how this may

Page 29: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

17

affect the origins and detection of eDNA from coastal invertebrates and contribute to

observed discrepancies between eDNA detection and conventional species collections.

Methods

Sample collection

Specimens and eDNA were collected at 13 subtidal stations (≤ 20 m at low tide) in three

commercial ports of the Canadian Arctic during the summer period (Figure 1). Churchill was

surveyed August 11-14, 2015 and Iqaluit was surveyed between August 17-22, 2015 and

between July 24-26, 2016 respectively while Deception Bay was surveyed between August

19-27, 2016. These three Arctic ports were selected because of their vulnerability to potential

changes in the coastal marine invertebrate communities not only to factors such as climate

change, but because of their relatively high levels of shipping activity which place them at

greater risk for introduction of non-indigenous species (Chan et al. 2012, 2013, Goldsmit et

al. 2019).

Page 30: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

18

Figure 1. Geographical location of Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports in the

Canadian Arctic (map A) and distribution of stations within Churchill (map B), Deception

Bay (map C) and Iqaluit (map D).

Species collection

Throughout the paper, we use specimens collected or species collection to refer to the

following collecting methods; benthic trawls, Van Veen grabs, sediment cores and plankton

tows. We use the term benthic communities to refer to organisms collected through benthic

trawls, Van Veen grabs and sediment cores while we use the term zooplankton communities

to refer to organisms collected through net tows. Benthic invertebrates living on the sea floor

substrate (epifauna) were collected using the benthic trawl with a 500 µm mesh net while

benthic invertebrates living in soft sea bottom (infauna) were collected using a Van Veen

grab (0.1 m2 sample area; Deception Bay and Iqaluit) and then sieved to a minimum of 500

µm. Zooplankton was collected using two net tows of 0.5 m diameter, one vertical Nitex®

80 µm and one oblique Nitex® 250 µm. Zooplankton samples were taken at ten of the 13

stations that were common with the eDNA sampling, whereas benthic trawl and Van Veen

grab samples were taken at the same 13 stations as the eDNA sampling. Trawling and oblique

Page 31: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

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net tows were carried out for 3 minutes at a speed of 1-2 knots to ensure similarity between

the samples of each station within each port. Due to logistical constraints, samples were

collected with the trawl in 2016 instead of 2015 in Iqaluit and infauna samples were not

collected using the Van Veen grab in Churchill. Instead, subtidal core data (15 cm high x 10

cm diameter) from the same areas were used from Goldsmit 2016. Since the sediment volume

accumulated by these subtidal sediment cores was less than that of the Van Veen grab, the

replicates of a given site for the sediment cores were combined together such that the final

volume included for analyses was similar to the volume of site-specific Van Veen grab

samples from the other ports. With the exception of common easily identifiable macro

invertebrates, which were enumerated, recorded and released, all specimens were preserved

in 95% ethanol and later identified by trained taxonomists to the lowest taxonomic level

possible.

Environmental DNA samples

Water samples were collected and filtered following methods outlined in Lacoursière-

Roussel et al. (2018). A 250 ml water sample was taken at each of three different depths

(surface, mid-depth and deep water (i.e., 50 cm from the bottom)) for each station and port

using a 5 L oceanographic Niskin water sampling bottle. Each sample was filtered in the field

using a 0.7 μm glass microfiber filter (Whatman GF/F, 25 mm) and syringes (BD 60 mL,

Kranklin Lakes, NJ, USA). Negative field controls were made by filtering 250 ml of

autoclaved distilled water for every 10 collected samples. All filters were preserved in 2 ml

microtubes containing 700 µl of Longmire’s lysis/preservation buffer, kept at 4°C until the

end of the sampling campaign and then frozen at -20°C until their extraction (at most 4

months). Risks of cross-contamination during the field sampling process were reduced by

using a separate sterile kit for each sample. Sampling kits included bottles and a filter housing

sterilized with a 10% bleach solution and new sterilized gloves, syringes and tweezers sealed

in a transparent plastic bag. Each sampling kit was exposed to UV light for 30 minutes

following assembly.

Page 32: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

20

Metabarcoding

Environmental DNA extraction, amplification and sequencing

To avoid risk of laboratory cross-contamination, eDNA extraction, PCR preparation and post

PCR steps were done in three separate rooms. All PCR manipulations were done in a

decontaminated UV hood. All laboratory benches surfaces were cleaned with DNA AWAY

® and all laboratory tools were sterilized with 10% bleach solution and exposed to UV light

for 30 minutes before any manipulations were carried out. DNA was extracted from filters

following a QIAshredder and phenol/chloroform protocol (Lacourssière-Roussel et al.,

2018). Negative control extractions (consisting of 950 µl of distilled water) were done for

each sample batch (i.e., one for every 23 samples) and were treated as normal samples for

the remaining manipulations until sequencing.

To maximize biodiversity detection and reduce the bias of eDNA dominance among species

groups, two pairs of primers from two different genes (COI and 18S) were used. These have

been shown to work well for detecting a wide variety of taxa including invertebrates and have

reasonably comprehensive databases of reference sequences. Following Lacoursière-Roussel

et al. (2018), we used the forward mlCOIintF (Leray et al., 2013) and reverse jgHCO2198

(Geller et al., 2013) (hereafter called COI1) and the forward LCO1490 (Folmer et al., 1994)

and reverse ill_C_R (Shokralla et al., 2015) (hereafter called COI2). Two additional

universal 18S primer pairs were also used, the forward F-574 and reverse R-952 (Hadziavdic

et al.,2014) (hereafter called 18S1) and the forward TAReuk454FWD1 and reverse

TAReukREV3 (Stoeck et al., 2010) (hereafter called 18S2). Three PCR replicates were done

for each sample of each primer set and were then pooled together after amplification and

purification procedures (see Annex for more details). Sequencing was carried out using an

Illumina MiSeq (Illumina, San Diego, USA) with a paired-end MiSeq Reagent Kit V3

(Illumina, San Diego, USA) at the Plateforme d’Analyses Génomiques (IBIS, Université

Laval, Québec, Canada). Each port was analyzed on a separate run to ensure independency,

but the samples within a port were pooled within a single Illumina MiSeq run to ensure the

equality of sequencing depth among samples. Raw sequences reads were deposited in

Page 33: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

21

NCBI’s Sequence Read Archive (SRA, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra) under Bioprojects

PRJNA388333 and PRJNA521343.

Bioinformatics

Adaptor and primer sequences were removed and the raw sequencing reads were

demultiplexed into individual samples files using the MiSeq Control software v2.3. Raw

reads were analyzed using Barque version 1.5.1, an eDNA metabarcoding pipeline

(www.github.com/enormandeau/barque). Forward and reverse sequences were trimmed and

filtered using Trimmomatic v 0.30 with the following parameters: (TrimmomaticPE, -

phred33, LEADING:20, TRAILING:20, SLIDINGWINDOW:20:20, MINLEN:200)

(Bolger et al. 2014). Pairs of reads were merged with FLASh v1.2.11 (Fast Length

Adjustment of Short reads) with the following options: (-t 1 -z -m 30 -M 280) (Magoč &

Salzberg 2011). The amplicons were split using their primer pairs (COI1, COI2, 18S1 and

18S2) and sequences that were either too short or too long were removed. Chimeric

sequences were removed using VSEARCH v 2.5.1 (uchime_denovo command with default

parameters) (Rognes et al. 2016). COI sequences were blasted on the BOLD database and

18S sequences against the SILVA database. Sequences from most terrestrial species (insects,

human, birds and mammals) and sequences that had no taxonomic match were also removed

from the reference databases. Finally, following these steps, chordates others than tunicates

(Table S1) were removed from the results since they were not targeted in this study and would

therefore blur the analyses and subsequent interpretations regarding invertebrate

communities. The Barque pipeline (https://github.com/enormandeau/barque) was then used

to create operational taxonomic units (OTU). The OTUs were generated using vsearch 2.5.1

(id 0.97) (https://github.com/torognes/vsearch) using only reads present more than 20 times

in the full dataset. For each station, sequences collected at the different depths and for all

primers were pooled in order to obtain an overall representation of potential biodiversity.

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22

Data analysis

All analyses were performed at the genus level to facilitate comparisons between the

approaches since only ~60 and 80% of the invertebrate taxa could be identified to species

level with species collections and the eDNA approach, respectively. All analyses were

conducted in R version 3.4.3 (R Core team 2017) except for the SIMPER analyses which

were conducted in PRIMER 6 & PERMANOVA+ (Clarke and Gorley, 2006).

In order to determine the effect of sampling effort on overall richness being detected, genera

rarefaction curves were created for each port and data collection type using the "specaccum"

function (number of permutations = 100) in the vegan package of R (Oksanen et al. 2018).

Variation in taxonomic composition detected with eDNA and species collection within ports

was depicted using a barplot generated in R from the raw relative abundance of the genus

taxonomy matrices assigned to the corresponding phylum. PERMANOVAs (number of

permutations = 10, 000) were performed using the vegan package to test the effect of port

and sampling method on taxonomic composition, while nonmetric multidimensional scaling

(nMDS) was used to visualize differences in taxonomic composition among ports and

sampling methods.

Alpha diversity indices (Richness, Shannon diversity H’ and Pielou evenness J) were

calculated with the vegan package (Oksanen et al. 2018) following Hellinger standardization.

Two-way ANOVAs followed by Tukey Honest Significant Difference (Tukey HSD) tests

were performed to evaluate if diversity indices differed among ports and sampling methods.

When standard ANOVA assumptions of normality were not met, PERMANOVAs were done

based on Euclidean distances, thereby ensuring approximate multivariate normality (Clarke

and Warwick 2001), and followed by use of the "pairwise. adonis" function in R to test

variation in sampling approaches among ports.

Beta diversity was estimated from the Sorensen distance using the "vegdist" function in the

vegan package (Oksanen et al. 2018) computed after a presence-absence transformation.

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23

Geographic distance matrices between stations within ports were calculated using the

"spDistsN1" function in the sp package of R (Bivand et al. 2008) for Deception Bay and

Iqaluit while distance between Churchill stations were determined using ArcGIS version 10.4

due to some peculiarities of the geographic layout of this port (this port has a large peninsula

separating some sample stations (Figure 1b); since sp simply calculates the straight line

distance between two points, the distances between stations on either side of this peninsula

are underestimated using this package, while ArcGIS allows for calculation of the true

distance by water). The dispersion of eDNA within ports was evaluated from correlations

between beta-diversity and spatial distance matrices using Mantel tests (Li et al. 2018) in the

ade4 package of R (Dray and Dufour 2007) except for Churchill for which the correlation

was calculated using the "cor.test" function (method=Spearman) in the stats package of R

since ArcGIS does not provide a suitable distance matrix format for the Mantel test.

Finally, we investigated the probability of detecting different marine invertebrate taxa

according to their life history, paying particular attention to life histories having pelagic

stages (holoplankton and meroplankton) due to their potential presence in the water column.

To contrast the proportion of species with an entirely pelagic (i.e. holoplankton) versus

benthic-pelagic (i.e. meroplankton phase) life histories, a barplot was constructed in R from

a presence/absence data list with the lowest taxonomic resolution for each organism and the

associated life history category. A PERMANOVA analysis was performed using the vegan

package to test the effect of port on taxonomic composition within each life history type

(holoplankton versus taxa with meroplanktonic stages). Similarity percentage analysis

(SIMPER) in PRIMER 6 & PERMANOVA+ was used to determine which taxa contributed

the most to explaining differences among the groups.

Results

Sequencing quality

A total of 478,046 aquatic metazoan reads were obtained in Churchill, 95,658 reads in

Deception Bay and 203, 245 reads in Iqaluit (see Table S1 for more details about the pipeline

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24

processes). The 18S markers generally generated more sequences than COI markers (with a

total of 568 892 and 208 067 sequences respectively), except for in Iqaluit where the reverse

situation was observed. In addition, both genetic markers provided distinctive taxonomic

resolution according to our knowledge of organisms living in Arctic waters1 (Table 1). The

genus taxonomic level provided a satisfying description of biodiversity given that only 10,

17 and 18% of sequences were not assigned at that this taxonomic level in Churchill,

Deception Bay and Iqaluit, respectively (Figure S1). Thus, 2682, 1413 and 1056 operational

taxonomic units (OTUs) where identified at the genus level in the ports of Churchill,

Deception Bay and Iqaluit, respectively.

Table 1. Summary of the numbers of reads, the proportion of species and genera present in

the Arctic historic database and the mean number of OTUs for the COI primers set and the

18S primers set assigned and non assigned on BOLD and SILVA for each port.

Port Number of reads

Proportion of

species known in

Arctic (%)

Proportion of genus

known in Arctic (%)

Mean nb. of

assigned OTUs

(genus)

Mean nb. of

non-assigned

OTUs (genus)

COI 18S COI 18S COI 18S COI 18S COI 18S

Churchill 52 749 425 297 52.3 18.7 61.7 45.9 633 708 39 100

Deception

Bay 30 214 65 454 62.9 18.3 74.3 52.6 348 359 16 105

Iqaluit 125 104 78 141 69.4 15.4 77.6 46.3 238 291 4 92

No amplification was observed on agarose gels for the negative PCR controls, but a small

number of sequences were present in our laboratory and field negative controls. Two

correction factors were applied to ensure the reliability of the data and quality of the resulting

analyses. First, the few sequences present in the laboratory negative controls were subtracted

1 List of known species in the Arctic obtained by pooling various species databases (N = 1054 species,

Howland et al., unpublished data) and published information (Cusson et al., 2007; Piepenburg et al., 2011;

Link et al., 2013; Olivier et al., 2013; Goldsmit et al., 2014; Roy et al., 2015; López et al., 2016; Young et

al., 2016)

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from the samples from the same extraction batch. These sequences represent 0.003%, 0.1%

and 0.06% of Churchill, Deception Bay and Iqaluit total number of sequences respectively.

Secondly, for the field negative controls, a genus was removed if its abundance in all the field

controls was higher than 2% of the total number of sequences for all samples combined for

that genus. Following application of correction factors for background contamination, 0.1%

and 1.4% of all COI and 18S sequences were removed, respectively (Table S3). An exception

to applying correction was made in the case of 18S Pseudocalanus sequences for which 96%

of all the field contamination occurred in only one field negative control. Given that

Pseudocalanus in real samples represented nearly half of all 18S sequences and this genus is

known to be a dominant part of the Arctic zooplankton community (Dispas 2019), removing

it would cause significant bias to the analyses. When read abundance of a given genus in

field controls was lower than 2% of the total number of sequences for that genus, it was

retained because contamination was considered low enough that it would not lead to false

interpretations. On the contrary, discarding those genera could cause bias in the analyses due

to their high number of sequences in real samples.

Arctic coastal gamma diversity

With the exception of benthos communities sampled using trawls, grabs and cores, genera

rarefaction curves of marine invertebrates were close to saturation, both for zooplankton

surveyed using net tows and eDNA (Figure 2).

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26

Figure 2. Individual-based rarefaction curves of eDNA, benthos and zooplankton genera for

Churchill (blue), Deception Bay (yellow) and Iqaluit ports (magenta) based on incidence data.

Vertical bars represented 95% confidence intervals.

When eDNA and species collection datasets were combined, a total of 634 marine

invertebrate genera from 23 phyla were recorded. Gamma richness was consistently higher

for species collections methods than for eDNA, however variable patterns across ports were

observed between these sampling approaches. Gamma richness detected with eDNA was

higher for Churchill and Deception Bay and lower for Iqaluit port, but the opposite pattern

was observed for the gamma richness of communities detected with species collection

(Figure 3a). Although a substantial collective number of organisms were detected, few genera

where shared between eDNA and species collections (Churchill 15%, Deception Bay 15%

and Iqaluit 9%). Of the organisms found with both approaches, annelids accounted for almost

half (42.7%), followed by arthropods and molluscs with 20.2% and 11.2% respectively of

the common genera obtained within all ports (Figure 3b).

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27

Figure 3. a) Barplots of the number of taxa found in Churchill (blue), Deception Bay

(yellow) and Iqaluit (red). Darker bands represent species collection methods while paler

bands with dashed outline represent eDNA and black bands represent the number of genera

in common between eDNA and species collection. b) Phylum relative proportion of commun

genera between eDNA and species collection based on incidence data. COI and 18S primer

sets are added together for both a) and b).

The same phyla were generally present among the three ports (Figure 4), with Annelida and

Arthropoda consistently being the most abundant phyla for both eDNA and species

collections. However, for most taxa the relative abundance was significantly different

between eDNA and species collection (PERMANOVA, P < 0.001; Table S4; Figure 4).

Community composition of eDNA clearly differed among ports (PERMANOVA, P < 0.001;

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Table S4; Figure 5a), and this distinction remained significant (PERMANOVA, P < 0.001;

Table S4; Figure 5b) for the species collections. Differences in community structure with

eDNA versus species collection were mainly driven by annelids and arthropods taxa

(SIMPER analysis; 30% and 23% respectively) followed by molluscs, echinoderms,

cnidarians and bryozoans (SIMPER analysis; 11%, 6%, 5% and 4% respectively). The

remaining differences between eDNA and species collection community compositions may

be partly driven by taxa-specific differences in detectability by these approaches. For

example, some taxa such as Brachiopoda, Foraminifera, Cephalorhyncha and Chaetognatha

(grouped in the Others category with additional phyla of low relative abundance) were only

found using species collection, while others such as Bryozoa were only rarely detected using

eDNA. In contrast, other taxa such as Porifera, Nemertea, Cnidaria and Echinodermata were

more frequently detected with higher read abundances in eDNA samples than in species

collections.

Figure 4. Marine invertebrate taxonomic composition at the phylum level for eDNA and

species collection methods, respectively, within Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports,

based on incidence data. The COI and 18S regions are added together for the eDNA barplot

while the benthic trawl, core, grab and net tows samples are added together for the species

collection barplot.

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Figure 5. Biodiversity differences A) among ports based on eDNA only and B) among

sampling methods within ports. Ordination of taxonomic composition (genera) calculated

using Sorensen index (incidence based) with each data point representing a specific sample;

blue squares represent Churchill, yellow dots represent Deception Bay and magenta triangles

represent Iqaluit. Filled symbols are associated with eDNA while empty symbols are

associated with species collections.

Alpha biodiversity

Similar to gamma diversity, alpha richness for eDNA samples was significantly

higher in Churchill and Deception Bay than Iqaluit (Tukey HSD, p < 0.01), with the number

of genera per station ranging from 49 to 75 (mean = 63 ± 2) in Churchill, 45 to 93 (mean =

70 ± 4) in Deception Bay and from 34 to 53 genera (mean = 41 ± 2) in Iqaluit (Figure 6a).

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30

In contrast Churchill had the lowest alpha richness for samples collected using species

collection (Tukey HSD, p < 0.01, Figure 6b) with only 8 to 58 genera per station (mean = 27

± 3) as compared to 30 to 142 (mean = 78 ± 9) and 59 to 151 (mean = 100 ± 8) genera per

station in Deception Bay and Iqaluit, respectively. Overall differences between sampling

approaches varied between ports, with eDNA-based alpha richness being higher than species

collection sample-based richness in Churchill (PERMANOVA, P < 0.001; Table S4), similar

in Deception Bay (PERMANOVA, P = 0.4; Table S4), and lower in Iqaluit (PERMANOVA,

P < 0.001; Table S4). A similar pattern was also observed with the Shannon biodiversity

index (Figure S2).

Figure 6. Boxplot on alpha diversity for the genera richness and Pielou evenness index in

Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports for eDNA (A, C) and species collection (B, D).

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These analyses were performed on abundance data with Hellinger transformation, COI and

18S primer sets are added together for the eDNA boxplot.

Despite the contrasting alpha richness between sampling approaches within each port, the

generally high values of Pielou’s evenness indices revealed a pronounced taxonomic

evenness with little indication of particular genera being over-represented in communities

detected by either eDNA or species collection within the ecosystems (Table 2). Evenness of

communities detected with eDNA was similar across ports except between Deception Bay

and Iqaluit, where a lower or a greater dominance by some taxa was observed in Iqaluit

(PERMANOVA, p < 0.05; Table S4; Figure 6c). This is consistent with the SIMPER

analyses where, for Iqaluit, 19 genera explained 90% of the similarity among stations in

contrast to 30 and 42 genera for Churchill and Deception Bay, respectively. There were no

differences in evenness of communities detected in species collections among the three ports

(PERMANOVA, p = 0.2; Table S4; Figure 6d).

Table 2. Summary of richness, alpha and beta biodiversity indices for the eDNA and species

collection marine invertebrates communities on abundance data after Hellinger

transformation (Shannon and Pielou indices) and presence/absence transformation (Beta

index). COI primer sets and 18S primer sets are added together.

Method Port

Gamma

richness

(Sγ)

Mean

alpha

richness

(Sα) SE

Mean

Pielou

(J) SE

Mean

Shannon

(H') SE

Beta

index

SE

eDNA

Churchill 138 63 ± 2 0.75 ± 0.02 3.12 ± 0.1 0.31 ± 0.004

Deception

Bay 145 70 ± 4 0.82 ± 0.02 3.48 ± 0.1

0.33 ± 0.005

Iqaluit 101 41 ± 2 0.67 ± 0.03 2.50 ± 0.1 0.37 ± 0.005

Species

collection

Churchill 193 27 ± 3 0.79 ± 0.02 2.50 ± 0.1 0.84 ± 0.008

Deception

Bay 292 78 ± 9 0.75 ± 0.04 3.17 ± 0.1 0.62 ± 0.01

Iqaluit 365 100 ± 8 0.84 ± 0.02 3.84 ± 0.1 0.58 ± 0.007

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Beta diversity

Community structure between stations within ports was significantly different for both

eDNA and species collection but higher indices of beta diversity were observed for the

species collections than for eDNA (Table 2). For eDNA beta indices, higher dissimilarity

among stations was found in Iqaluit (0.37 ± 0.005), followed by Deception Bay (0.33 ± 0.005)

and Churchill (0.31 ± 0.004), while the opposite trend was observed with species collections

(Churchill: 0.84 ± 0.008; Deception Bay: 0.62 ± 0.01; Iqaluit: 0.58 ± 0.007).

Positive correlations between beta diversity and geographic distance between stations were

observed for both eDNA and species collection across all ports. For eDNA, positive

correlations between distance and beta diversity were significant and stronger in Churchill

and Deception Bay (R2 = 0.13 and 0.23 respectively; P < 0.05; Figure 7; Table S5) whereas

a significant albeit weaker correlation was found in Iqaluit (R2 = 0.09; P = 0.02; Table S5;

Figure 7). For species collections, the correlation between beta diversity and geographic

distance varied depending on the port and collection method (zooplankton tow nets versus

benthos sampling methods). In Churchill, none of the correlations were significant

(zooplankton R2 = 0.014; P = 0.2, benthos R2 = 0.004; P = 0.5; Table S5; Figure 7). For

Deception Bay, a lower positive and significant correlation was found for the benthos (R2 =

0.12, P = 0.02; Table S5; Figure 7) than for eDNA (R2 = 0.23; P = 0.01; Table S5; Figure 7)

while a stronger positive and significant correlation was found for the zooplankton (R2 =

0.26; P = 0.01; Table S5; Figure 7). For Iqaluit, a stronger positive and significant correlation

was found for the benthos (R2 = 0.14, P = 0.01; Table S5; Figure 7) than for eDNA (R2 =

0.09; P = 0.02; Table S5; Figure 7) while a negative and non-significant correlation was

found for the zooplankton (R2 = -0.16; P > 0.05; Table S5; Figure 7).

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Figure 7. Sorensen dissimilarity index between pairs of stations as a function of distance

between the stations based on incidence data (presence/absence transformation on

abundance) for different sampling methods (eDNA and species collections of benthos and

zooplankton) in Churchill (blue), Deception Bay (yellow) and Iqaluit (magenta).

Origin of coastal eDNA

Taxa with the meroplanktonic life history type were the most common life history type

observed by eDNA across ports (≥ 70% of observed taxa; Figure 8). Although the relative

abundance of taxa by life history type varied among ports (PERMANOVA, P < 0.001), the

proportions of taxa with meroplanktonic or holoplankton (taxa with only pelagic stage) life

history types detected by eDNA were similar (Churchill: 69% meroplankton, 14%

holoplankton; Deception Bay: 72% meroplankton, 17% holoplankton; Iqaluit: 80%

meroplankton, 12% holoplankton; Figure 8). Annelida was the most dominant phylum

detected with the meroplankton life history type, followed by Mollusca and Echinodermata

(SIMPER analysis; 45.8% and both 15.7% respectively) whereas Arthropoda (copepods) was

the most dominant phylum in the holoplankton across the three ports (SIMPER analysis;

81.1%). Interestingly, the dominant taxa were similar for the meroplanktonic component of

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communities detected from both eDNA and species collection approaches, with the exception

of Echinodermata which was replaced by Arthropoda (mostly amphipods) in species

collection samples (SIMPER analysis; Annelida 45.6%, Arthropoda 24.0% and Mollusca

16.5%). In the case of the holoplanktonic component of communities, Arthropoda

(copepods) was the most dominant phylum for both eDNA and zooplankton tows (SIMPER

analysis; 81.1% and 96.1% respectively).

Figure 8. Relative abundance of organisms obtained with eDNA and species collection

within Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports according to their life history; taxa with a

meroplanktonic life stage, holoplanktonic taxa life stage. Species collection for benthos

include benthic trawl, Van Veen grab, cores and for zooplankton includes pelagic plankton

net tows. The sum of the detection of each taxa (i.e. presence/absence) have been combined

for all primer sets.

Discussion

Arctic coastal regions are subject to harsh conditions, a wide range of temperatures and

photoperiod, and they support various forms of life under long periods of sea ice cover (Payne

et al. 2012, PAME 2016). Nevertheless, the Arctic Ocean is home to a great diversity of

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organisms which deserve attention, especially lower trophic taxa, including invertebrates,

which make up the base of ecosystem (Archambault et al. 2010, Piepenburg et al. 2011, Wei

et al. submitted). The presence of marine invertebrates in the diets of arctic fishes, birds and

mammals highlight their trophic relevance (Gajbhiye 2002, Bluhm et al. 2008, CAFF

International Secretariat 2010). Thus, significant changes in their communities could affect

ecosystem stability and disturb the availability of food resources for coastal human

communities (Ruiz et al. 1997, Guyot et al. 2006). Marine biodiversity conservation is

progressively becoming a crucial aim of environmental management (Spalding et al. 2007)

but requires sufficient spatial data on biodiversity (Laurila-Pant et al. 2015). Despite

substantial research efforts in recent years (Piepenburg et al. 2011, Goldsmit et al. 2014, Wei

et al. submitted), there is limited knowledge about the diversity of many invertebrate groups

(Archambault et al. 2010), including distributions and how this is influenced by their life

stage transitions. Indeed, many species new to science still await discovery with species

collection methods (López et al. 2016, Jabr et al. 2018).

To our knowledge, this study is the first to compare eDNA, benthos and zooplankton

community patterns in the Arctic. Here, we used eDNA sampling in parallel with species

collection at Arctic ports to better understand ecological properties of eDNA in relation to

distribution and life stages of invertebrates in the coastal marine environment. While

differing from observations made using species collection approaches, eDNA metabarcoding

of Arctic coastal zone taxa provided relevant, complementary biodiversity information at

various spatial scales using alpha, beta and gamma indices.

Overall biodiversity and community structure

Despite limited sample volumes (only 30 L water in total) and sequencing depth, eDNA

metabarcoding identified 202 marine genera, covering 17 phyla which complemented the

biodiversity information obtained from species collection using traditional benthic trawl,

cores, grab and net tows, representing a combined total of 634 genera, covering 23 phyla for

eDNA and species collection. Bryozoa, Arthropoda and Mollusca were more commonly

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encountered with species collections of coastal marine communities while Echinodermata,

Porifera, Nemertea and Cnidaria were more frequently detected in eDNA samples. Several

physical and biological factors might explain the differences in detectability of taxa between

approaches. For example, echinoderms and sponges (Porifera) are often attached to large

boulders in the seabed (Bell and Barnes 2003, Chapman 2003) and are difficult to collect

using trawls or a grab, which may negatively bias their detectability in species-based

collections. Identification issues, or a combination with biases in detectability may also

explain differences in community assemblages identified through eDNA and species

collection. For instance, ribbon worms often lack easily diagnosable external body features

making identification challenging in addition to frequently being found under rocks where

they can be difficult to access (Thiel and Norenburg 2009). eDNA metabarcoding may thus

be particularly useful in such cases where taxa are more difficult to sample or identify

morphologically. It is also important to note the considerable variation in previous

sequencing effort deployed among phyla which influences whether or not eDNA from taxa

in these groups can be matched to sequences of morphologically identified organisms. For

example, 54.5–56.3% of the arthropods, cnidarians, and molluscs identified by our traditional

collection sampling methods were present in the sequence databases while only 28.6% of the

bryozoans had been previously sequenced for the barcoding regions used in this study (Table

S6). This clearly limits the ability of eDNA metabarcoding to fully document community

composition in the Arctic, highlighting the importance of improving sequencing effort for

particular taxa to fill the taxonomic gaps in available data bases.

Another salient observation of this study is that detected community structure differed

substantially between sampling methods with benthic communities being more variable

within and between ports and zooplankton communities being more similar within and

between ports. The broader range of biodiversity dissimilarities present among benthic

communities might be explained by the highly variable seabed characteristics, which has an

important role in megafaunal distribution as they impact several factors like larvae

settlement, anchorage and shelter (Kedra et al. 2013, Preez et al. 2016). In contrast,

zooplankton experience less variation in their habitat, due to the greater homogeneity of the

water column relative to benthic substrates (Angel 1993, Gray 1997). The structure of

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communities detected with eDNA was intermediate between the patterns of communities

detected by the different traditional sampling approaches, representing more community

dissimilarities than plankton communities revealed by net tows but less community

dissimilarities than benthic communities detected by trawls, grabs and cores. This pattern is

likely due to the origin of eDNA, transport and degradation processes. The high prevalence

of meroplanktonic organisms (reflective of benthic communities) detected within eDNA

communities may explain why they display greater dissimilarity than plankton communities

depicted by species collections. On the other hand, eDNA communities likely display less

dissimilarity than benthic communities depicted by species collections due to the

homogenization of eDNA particles through movement in the water as well as their

degradation whereas, living specimens remain in the seabed or seafloor and are less affected

by water movement.

Our observations of distinct patterns of community structure depicted using either COI and

18S primer sets are consistent with several studies that have shown an effect of markers on

the detection rate of marine invertebrates (Drummond et al. 2015, Kelly et al. 2017, Elbrecht

et al. 2017, Djurhuus et al. 2018). Until a more universal primer set is available, this

highlights the importance of using a combination of different primer sets covering different

genomic regions for the time being. Here, our results suggested a greater affinity of COI

primers for annelids, arthropods and echinoderms relative to 18S primers, as previously

reported by Drummond et al. (2015). These affinities could potentially explain why Iqaluit

community composition detected using both COI and 18S clearly differed from Churchill

and Deception Bay communities, mainly because more annelids and echinoderms and less

arthropods taxa were detected in Iqaluit relative to the other two locations.

Despite the large number of taxa observed in this study, many marine invertebrates were

likely missed, as revealed by the rarefaction curves. This is especially true for the benthic

communities for which no plateau was reached. Coastal areas represent complex mosaics of

benthic habitats which contribute to diversifying the epifauna and possibly increasing the

possibility of missing taxa (Gray 1997). For eDNA sampling, the number of genera detected

can be influenced by the number of samples and their vertical and horizontal distributions

Page 50: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

38

(Lacoursière-Roussel et al. 2018), type of filters, volume of filtered water, extraction method

(Deiner et al. 2018), sequencing depth and bioinformatics pipeline. Thus, a larger volume of

filtered seawater for each sample and a deeper sequencing depth would likely have improved

the detection rate in this study (Mächler et al. 2016). Similarly, a greater detection rate could

have been achieved by sampling a higher number of stations within each port. Although

eDNA rarefaction curves were very similar between Churchill and Deception Bay ports,

Iqaluit grew less rapidly at first and appeared closer to reaching a plateau than Churchill and

Deception Bay due to the lower alpha and gamma biodiversity measured within this port.

Furthermore, alpha and gamma biodiversity was greater within Iqaluit for the species

collection. This suggests that the inverse trend observed between the two approaches might

reflect decreased previous monitoring effort towards more northern regions which

consequently results in more incomplete sequence reference databases rather than a truly

lower biodiversity. Sequence reference data bases are estimated to contain only 13% of

marine species inhabiting the Arctic Ocean (Hardy et al. 2011), and a latitudinal gradient of

sequencing effort might exist within the Arctic itself. Indeed, we observed an increase in the

percentage of unknown OTUs from Churchill north to Iqaluit.

Transport and homogenization of eDNA

Knowledge pertaining to the spatial patterns of biodiversity is crucial for protecting regional

diversity and supporting conservation planning. The complex mosaic of benthic habitats

existing in Arctic coastal areas makes it more difficult to obtain a representative sampling of

this component of biodiversity. Our results revealed much lower beta indices for eDNA

communities compared to species collection communities which suggests that eDNA

depicted a more homogeneous pattern of species distribution than species collection in

coastal zones, as proposed in several studies of freshwater systems (Ficetola et al. 2008,

Dejean et al. 2011, Thomsen et a. 2012, Li et al. 2018).

Arctic coastal eDNA showed a more homogeneous community structure compared to species

collection but this pattern was affected by the spatial scale. Indeed, our results revealed a

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39

significant relationship between the dissimilarities within eDNA communities as a function

of geographic distance which spans between 4 km to nearly 20 km. This is consistent with

classical spatial ecology processes whereby communities close to one another are in turn

more similar than those that are farther apart (Nekola and White 1999) and in line with the

observations of O’Donnell et al. (2016) of greater eDNA dispersion in nearshore marine

habitats. Several studies have also revealed patterns of extensive eDNA dispersion over

considerable distances within river systems (Deiner et al. 2016, Deiner and Altermatt 2014)

which could influence community structure in estuarine settings such as the port of Churchill.

In the case of our study, the very cold Arctic waters may contribute to reducing DNA

degradation, thus providing more time for dispersion over larger distances. This raises the

hypothesis that spatial eDNA homogenization should be more important in the Arctic Ocean

than more southern regions. It will therefore be of interest to evaluate in future studies how

latitude may influence patterns of eDNA biodiversity indices.

The weak correlation between dissimilarity and geographic distance in Iqaluit is in sharp

contrast with the other two ports in this study. This could potentially be explained by the

important tidal range occurring in this region; 7.5-11.7 m, which is over twice as great as in

Churchill (3.3-5.1 m) and in Deception Bay (3.6-5.7 m) (Fisheries and Oceans Canada,

2017). Interestingly, Churchill and Deception Bay ports showed significant distance

differences between their stations (Churchill: 0.2-7km, Deception Bay: 0.3-19km),

suggesting that the correlation between dissimilarity and distance might be consistent at

various spatial scales for marine invertebrates in Arctic coastal environments with similar

tidal conditions. Tidal effects on community composition were previously documented by

Kelly et al. (2018), but no studies have tested the effect of tides on eDNA homogenisation in

coastal environments. In contrast with eDNA results, where dissimilarity increased as a

function of geographic distance between stations, a decay in dissimilarity of communities

with distance was not systematically observed in species collections, which again may reflect

the fact that marine invertebrate communities are often characterised by a pronounced

patchiness distribution (Ministry of Environment 2006). Thus, the homogeneity of eDNA

distribution due to dispersion could potentially improve estimations of biodiversity at small

spatial scales. On the other hand, the dispersion and persistence of eDNA in coastal

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40

environments also increases the risk of detecting organisms that are not actually present

locally (Deiner & Altermatt 2014; Jane and al. 2015). Further studies comparing the spatial

distribution of eDNA communities and corresponding species collection communities (either

benthos or plankton) in dynamic systems such as complex coastal areas are needed to

improve our knowledge about how the multiple physical and biological factors influence

eDNA distance decay. Such information will help to better inform eDNA sampling design

for monitoring and management issues.

Origins of eDNA

Benthic species with meroplanktonic life history type were in greater eDNA proportion than

species with strict benthic or pelagic life history. Our results sustain that coastal water eDNA

is a mixture of organic material released in the environment (e.g. feces, skin, mucus) and

plankton degradation and thus underlines the influence of variation in the life histories on

species detection probability. For instance, the fact that the discriminating taxa within the

eDNA and species collection approaches were not the same for the holoplankton and

meroplankton communities suggests that the different reproductive periods of the organisms,

as well as the associated planktonic larval stages, may influence the detection of certain taxa.

As a case in point, the daisy brittle star (Ophiopholis aculeata), the brittle star Ophiura

robusta and the green sea urchin (Strongylocentrotus droebachiensis) were discriminant

echinoderm species detected by eDNA and not by benthic species collection. Interestingly,

these three species are known to synchronise their spawning periods with sharp increases in

sea temperature (Himmelman et al. 2008), which typically occur during July within the

sampled ports (Prinsenberg 1984, Galbraith and Larouche 2011) suggesting that the high

number of sequences observed for those species could reflect the occurrence of these species

in their pelagic phase.

The importance of the planktonic stage in increasing eDNA detection is also supported by

the absence of DNA from amphipods, which were discriminant taxa in species collections

for meroplankton. The few studies on amphipod reproductive biology revealed that breeding

occurs during the spring in most species (Weslawski and Legezynska 2002). However,

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41

amphipods represent a complex case as some species are benthic while other species are

planktonic and the two life history types coexist in the same environment. Sampling outside

breeding periods as well as the lack of planktonic stage could explain the lower detectability

of these organisms with eDNA. It is difficult to draw general patterns based on the life

histories of organisms since each species or genera in question might differ substantially, in

addition to the lack of knowledge for life histories of many marine invertebrates inhabiting

the Arctic and their reproduction period. O’Donnell et al. (2016) also concluded that

planktonic larval stages or release of pelagic eggs might play an important role in the eDNA

detection of some organisms. However, given the fact that seasonal factors greatly influence

the proportion of meroplankton or holoplankton organisms (Highfield et al. 2010, Lindeque

et al. 2013) and the ecology of eDNA (e.g. water temperature, UV exposition), further studies

on the detection of various marine invertebrate taxa at different times of the year would be

of great interest toward documenting how life histories of different organisms impact eDNA

detection.

Role of eDNA in Arctic conservation

Under the multiple environmental and anthropogenic factors currently threatening Arctic

coastal biodiversity and facing international objectives such as the protection of 10% of

coastal and marine areas by 2020 (SCBD, 2014), the development of rapid and efficient tools

for monitoring changes in biodiversity is essential. eDNA metabarcoding provides valuable

information towards a broader view of the taxonomic diversity which may help in developing

more rigorous conservation plans, particularly in the Arctic. In addition, this approach

provides numerous advantages due to its time-efficient and non-invasive manner (Deiner et

al. 2017). The simplicity of the sampling protocol for coastal water makes the method easy

to learn, which constitutes a major asset especially in remotes regions such as the Arctic

where it can be easily incorporated into existing sampling or community-based monitoring

programs (e.g., Lacoursière-Roussel et al. 2018). By combining the study of invertebrate

communities at different spatial scales detected by eDNA and species collection, this study

highlights important features related to the ecology of eDNA biodiversity indices such as the

origin of eDNA (i.e., planktonic phases of benthic taxa) and the effect of spatial

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42

homogenisation. Taken together, our results suggest that eDNA diversity reflects complex

interactions between life histories of organisms and their spatial species. As public sequence

databases become more complete over time, species detection using eDNA metabarcoding

will improve, and is likely to help in better understanding a wide range of ecological

processes (plankton daily migration, fish seasonal migration, food web interactions, etc.)

where many elements remain undiscovered. Our results highlight that eDNA should be used

as a complementary approach for improving characterization of coastal biodiversity from

species collections as each method yielded distinct information on taxonomic composition

of the invertebrates inhabiting coastal areas.

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43

Acknowledgement

This project was funded by ArcticNet, POLAR knowledge, DFO Aquatic Invasive Species

Monitoring Program, Nunavut Wildlife Management Board, Nunavik Marine Region

Wildlife Board. We thank Brian Boyle from IBIS for his expertise at the sequencing platform,

David Lodge, Kristy Deiner and Erin K Grey for their help and advice in terms of eDNA

metabarcoding methodologies and analyses, Jésica Goldsmit for her essential knowledge on

shipping activities and NIS in the arctic and sharing benthic core data from the Port of

Churchill. We thank Melania Cristescu and Guang Zhang for their help in primer selection

and Frederic Chain and Yiyuan Li for the pipeline development, Cecilia Hernandez for

laboratory assistance, and Jérôme Laroche from IBIS for the development of bioinformatics

pipelines. We would like to thank Laure de Montety, taxonomists and members of the

Archambault laboratory for the identification of the benthic organisms as well as for the

knowledge about them. We gratefully acknowledge the Churchill Northern Studies Centre

and Glencore Mine Raglan for providing access to their building facilities. We also thank the

following individuals for field assistance and participating in training: Frédéric Hartog,

Valérie Cypihot, LeeAnn Fishback, Daniel Gibson, Dick Hunter, Austin MacLeod, Thomas

Whittle, Rory McDonald, Frederic Lemire, Adamie Keatanik, Willie Keatanik, Willie Alaku,

Markusie Jaaka.

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Annexe (Supporting information)

Table S1. Barque 1.5.1 specific commands for preparation and analysis of pair-end reads. The

sequences from the different COI and 18S primers set were added together.

Main step of filtration

Number of

eDNA reads in

Churchill port

Number of

eDNA reads in

Deception Bay

port

Number of

eDNA reads in

Iqaluit port

Number of raw forward and reverse reads 10 553 694 5 767 153 7 960 264

Remove raw reads with low quality 10 171 078 5 547 150 7 679 365

Remaining reads after merging forward and reverse

reads 9 635 596 5 136 684 7 255 383

Remove reads with incorrect length 8 535 538 4 600 181 6 405 199

Remove chimeric reads 8 170 548 4 340 911 6 008 858

Number of final reads 7 262 004 3 578 713 4 880 549

Number of reads with successful BLAST at genus

level 574 581 113 236 206 269

Number of reads with successful BLAST at species

level 478 046 95 651 203 245

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Table S2. Chordata taxa present in the eDNA data set (COI and 18S primers set added together)

and the appropriate action taken.

Scientific_name Phylum Genus Subphylum Action

Ammodytes_marinus Chordata Ammodytes Fish Removed

Aplousobranchia Chordata Tunicate Remain

Ascidia Chordata Tunicate Remain

Ascidiacea Chordata Tunicate Remain

Ascidiacea_colonial Chordata Ascidiacea Tunicate Remain

Ascidiella Chordata Tunicate Remain

Boltenia_echinata Chordata Boltenia Tunicate Remain

Boltenia_villosa Chordata Boltenia Tunicate Remain

Boreogadus_saida Chordata Boreogadus Fish Removed

Brama_japonica Chordata Brama Fish Removed

Catostomus_catostomus Chordata Catostomus Fish Removed

Catostomus_commersonii Chordata Catostomus Fish Removed

Chelyosoma_macleayanum Chordata Chelyosoma Tunicate Remain

Chen_canagica Chordata Chen Bird Removed

Coregonus_artedi Chordata Coregonus Fish Removed

Coregonus_clupeaformis Chordata Coregonus Fish Removed

Cottidae Chordata Fish Removed

Delphinapterus_leucas Chordata Delphinapterus Beluga Removed

Didemnum_albidum Chordata Didemnum Tunicate Remain

Dendrodoa_grossularia Chordata Dendrodoa Tunicate Remain

Esox_lucius Chordata Esox Fish Removed

Eumesogrammus Chordata Eumesogrammus Fish Removed

Eumicrotremus Chordata Eumicrotremus Fish Removed

Fritillaria_borealis Chordata Fritillaria Tunicate Remain

Gadus_macrocephalus Chordata Gadus Fish Removed

Glossina_pallidipes Chordata Glossina Fly Removed

Gymnelus_viridis Chordata Gymnelus Fish Removed

Gymnocanthus_tricuspis Chordata Gymnocanthus Fish Removed

Halocynthia_pyriformis Chordata Halocynthia Tunicate Remain

Icelus Chordata Icelus Fish Removed

Icelus_bicornis Chordata Icelus Fish Removed

Larus_californicus Chordata Larus Bird Removed

Lateolabrax_maculatus Chordata Lateolabrax Fish Removed

Liparidae Chordata Fish Removed

Liparis_inquilinus Chordata Liparis Fish Removed

Lota_lota Chordata Lota Fish Removed

Lumpenus_lampretaeformis Chordata Lumpenus Fish Removed

Lycodes_mucosus Chordata Lycodes Fish Removed

Maccullochella_macquariensis Chordata Maccullochella Fish Removed

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Mallatus_villosus Chordata Mallatus Fish Removed

Mallotus_catervarius Chordata Mallotus Fish Removed

Mallotus_villosus Chordata Mallotus Fish Removed

Molgula Chordata Molgula Tunicate Remain

Molgula_retortiformis Chordata Molgula Tunicate Remain

Molgulidae Chordata Tunicate Remain

Myoxocephalus Chordata Myoxocephalus Fish Removed

Myoxocephalus_quadricornis Chordata Myoxocephalus Fish Removed

Myoxocephalus_scorpius Chordata Myoxocephalus Fish Removed

Oikopleura Chordata Tunicate Remain

Osmerus_mordax Chordata Osmerus Fish Removed

Ovis_aries Chordata Ovis Sheep Removed

Pagophilus_groenlandicus Chordata Pagophilus Seal Removed

Pelonaia_corrugata Chordata Pelonaia Tunicate Remain

Perca_flavescens Chordata Perca Fish Removed

Pisces Chordata Fish Removed

Pungitius_pungitius Chordata Pungitius Fish Removed

Pusa_hispida Chordata Pusa Seal Removed

Rangifer_tarandus Chordata Rangifer Reindeer Removed

Rhinichthys_cataractae Chordata Rhinichthys Fish Removed

Salvelinus_fontinalis Chordata Salvelinus Fish Removed

Stichaeidae Chordata Fish Removed

Stichaeus_punctatus Chordata Stichaeus Fish Removed

Stichaeus_punctatus_punctatus Chordata Stichaeus Fish Removed

Styela_rustica Chordata Styela Tunicate Remain

Styela_gibbsii Chordata Styela Tunicate Remain

Styelidae Chordata Tunicate Remain

Triglops Chordata Fish Removed

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Table S3. Genera found in the negative field controls and the appropriate action taken against the

contamination according to COI and 18S primers set.

Genus

Number

of all

field

control

sequences

Number

of all

sample

sequences

Percentage of

contamination

(%)

Contamination

approaches

Primers

set

Type of

animal/distribution

Alcyonidioides 11 158 7 removed 18S Bryozoan - marine

Alcyonidium 43 587 7 removed 18S Bryozoan - marine

Apistobranchus 1 9 11 removed 18S Worms - arctic marine

waters

Aurelia 232 295 79 removed 18S Jellyfish - marine

Calanus 3 24 123 removed 18S Zooplankton - marine

Eurytemora 443 5 8860 removed 18S Zooplankton - marine,

brackish, fresh waters

Halicephalobus 70 1 7000 removed 18S Nematode - parasite

Halichaetonotus 24 2 1200 removed 18S Gastrotrich - marine

Lampocteis 1 36 3 removed 18S

Comb jelly -

subtropical marine

waters

Larochella 36 49 734 removed 18S Gastropod - marine

Lumbricillus 65 47 138 removed 18S Worms - marine

Mysis 159 157 101 removed 18S Crustacean - marine

Mytilus 25 516 5 removed 18S Bivalve mollusks -

marine

Pseudocalanus 33696 87731 38 remain 18S Zooplankton - arctic

marine waters

Scalibregma 2 72 3 removed 18S Worms - arctic marine

waters

Zaus 18 734 3 removed 18S Crustacean - marine

Aphelochaeta 1 4226 0.02 remain 18S Worms - marine

Boroe 3 216 1 remain 18S Comb jelly - marine

Calycella 1 71 1 remain 18S Cnidarian -marine

Halichondria 1 705 0.1 remain 18S Sponge - marine

Mertensia 9 12352 0.1 remain 18S Comb jelly - marine

Nereis 1 318 0.3 remain 18S Worms - marine

Opercularella 1 806 0.1 remain 18S Cnidaria - marine

Pectinaria 1 30881 0.001 remain 18S Worms - marine

Phyllodoce 2 21422 0.01 remain 18S Worms - marine

Aurelia 1 41 2 removed COI Jellyfish - marine

Cerebratulus 8 6 133 removed COI Worms -arctic marine

waters

Gammarus 68 518 13 removed COI Crustacean - marine

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Macrocyclops 34 0 removed COI Zooplankton -

freshwater

Macrophiothrix 1 39 3 removed COI Brittle star - marine

Tisbe 6 58 10 removed COI Crustacean - marine

Acartia 10 134600 0.01 remain COI Zooplankton - marine

Balanus 9 104141 0.01 remain COI Crustacean - marine

Clione 1 1638 0.1 remain COI Sea angel - cold marine

waters

Littorina 4 3693 0.1 remain COI Sea snails - marine

Microsetella 1 683 0.1 remain COI Zooplankton - marine

Mysis 1 80 1 remain COI Crustacean - marine

Mytilus 5 754 0.7 remain COI Bivalve mollusks -

marine

Nais 1 1839 0.1 remain COI Worms - brackish and

freshwater

Ophiura 1 10314 0.01 remain COI Brittle star - marine

Pectinaria 1 117866 0.001 remain COI Worms - marine

Phyllodoce 3 35675 0.01 remain COI Worms - marine

Pseudocalanus 70 131765 0.1 remain COI Zooplankton - arctic

marine waters

Scalibregma 2 296 0.7 remain COI Worms - arctic marine

waters

Thelepus 1 6861 0.01 remain COI Worms - arctic marine

waters

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Table S4. Summary of PERMANOVA statistics tests on marine invertebrates communities for

the phylum relative abundance (number of taxa), Pielou evenness index and alpha richness. The

analyses were performed with method = "bray" for phylum relative abundance while it was

performed with method = "euclidian" for Pielou evenness and alpha richness.

Evaluated parameter Source of variation PERMANOVA

F-value R2 Pr (> f)

eDNA communities

composition Port 40.177 0.416 < 0.001

Churchill vs. Iqaluit 46.785 0.384 0.003

Churchill vs. Deception

Bay 34.180 0.313 0.003

Iqaluit vs. Deception Bay 38.371 0.335 0.003

Species collection

communities composition Port 6.706 0.078 < 0.001

Churchill vs. Iqaluit 8.258 0.067 0.003

Churchill vs. Deception

Bay 6.780 0.056 0.003

Iqaluit vs. Deception Bay 4.449 0.048 0.015

Phylum relative

abundance Method 43.708 0.337 < 0.001

Churchill Sp. collection vs eDNA 12.243 0.265 < 0.001

Deception Bay Sp. collection vs eDNA 38.305 0.615 < 0.001

Iqaluit Sp. collection vs eDNA 64.523 0.723 < 0.001

eDNA Pielou evenness

index Port 10.663 0.372 < 0.001

Churchill vs. Iqaluit 5.55 0.19 0.09

Churchill vs. Deception

Bay 5.356 0.182 0.087

Iqaluit vs. Deception Bay 20.431 0.460 0.003

Species collection Pielou

evenness index Port 1.9 0.08 0.2

Alpha richness Method

Churchill Sp. collection vs eDNA 77.471 0.695 < 0.001

Deception Bay Sp. collection vs eDNA 0.868 0.035 0.365

Iqaluit Sp. collection vs eDNA 53.641 0.691 < 0.001

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Table S5. Summary of the correlation between dissimilarity and distance across the sites within

Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports based on incidence data for the different sampling

methods.

Method Port Correlation test Simulated p-

value R2

eDNA

Churchill Cor.test < 0.001 0.13

Deception Bay Mantel.rtest 0.01 0.23

Iqaluit Mantel.rtest 0.02 0.094

Trawl, grab, cores Churchill Cor.test 0.5 0.004

Deception Bay Mantel.rtest 0.02 0.12 Iqaluit Mantel.rtest 0.01 0.14

Net tows

Churchill Cor.test 0.2 0.014

Deception Bay Mantel.rtest 0.01 0.26

Iqaluit Mantel.rtest 1.0 0.16

Page 63: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

51

Table S6. Summary of the main phyla identified by sampling collection sampling methods

among Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports and their respective presence in BOLD and

SILVA public genetic databases.

Phylum

Number of

organisms

identified with

trad. methods

Number of

identified

organisms

present in

BOLD

database

Number of

identified

organisms

present in

SILVA

database

Total number of

identified

organisms present

in genetic database

(BOLD or

SILVA)

Percentage of the

identified organisms

collected with trad.

methods available in

genetic database (BOLD

or SILVA)

Annelida 140 80 65 95 67.9

Arthropoda 167 89 43 94 56.3

Brachiopoda 1 0 1 1 100.0

Bryozoa 42 5 10 12 28.6

Cephalorhyncha 2 0 0 0 0.0

Chordata 19 13 6 14 73.7

Cnidaria 16 9 0 9 56.3

Echinodermata 9 7 2 7 77.8

Mollusca 77 37 28 42 54.5

Myzozoa 1 0 0 0 0.0

Porifera 2 0 0 0 0.0

Page 64: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

52

Figure S1. The number of Operational taxonomic units (OTUs) assigned

and not assigned on NCBI to the genus level for the COI primers set

(COI1 and COI2) and the 18S primers set (Tareuk and 18S). The

assigned OTUs are represented by the grey section of the barplot while

the not assigned OTUs are represented by the red section of the barplot.

The pourcentage written in red represented the mean of the 4 primers for

not assigned OTUs in each port.

Page 65: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

53

Figure S2. Boxplot on alpha diversity for Shannon biodiversity

index in Churchill, Deception Bay and Iqaluit ports. These analyses

were performed on abundance data with Hellinger transformation,

COI and 18S primer sets are added together for the eDNA boxplot.

Page 66: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

54

eDNA amplification

Three PCR replicates were done for each sample and each primer set. In brief, the final PCR

mix of each sample replicate was composed of 12.5 µl Qiagen Multiplex Mastermix, 6.5 µl

diH2O, 1.0 µl of each primer (10 µM) and 3.0 µl of DNA. For all samples, the PCR mixture

underwent an initial denaturation step at 95°C for 15 minutes, followed by 35 cycles at 94°C

for 30 seconds, 54°C for 90 seconds (except for the COI2 primer set, which was at 52°C) and

72°C for 60 seconds) and a final elongation at 72°C for 10 minutes. Because barcodes were

different for each sample, a negative PCR control was done for each sample and primer to

ensure no false positive could happen. Following the PCR, each replicate and negative PCR

control were visualized on a 1.5% agarose gel electrophoresis. If no contamination was

visible, the three replicates of each sample were then pooled together. Pooled samples were

purified using Axygen PCR clean up kit following the manufacture’s recommended protocol

and libraries were quantified in equal molar concentrations using AccuClear Ultra High

Sensitivity dsDNA Quantitation Kit using the TECAN Spark 10M Reader.

Page 67: Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ......Évaluation de la biodiversité des invertébrés marins dans les ports commerciaux de l’Arctique grâce à

55

Conclusion

À l’aube de cette 6ème extinction de masse, les diverses perturbations d’origine naturelle et

anthropique sévissant dans l’océan Arctique entraineront des changements majeurs au sein

de la biodiversité, particulièrement dans les régions sensibles telles que les zones côtières.

De bonnes banques de données sur la composition de même que la distribution actuelle des

espèces et communautés sont essentielles afin de pouvoir mieux orienter les programmes de

surveillance ainsi que les gestionnaires dans la création et la délimitation d’éventuelles aires

marines protégées.

L’étude présentée dans ce mémoire avait comme principal objectif d’acquérir de meilleures

connaissances sur l’utilisation du metabarcoding d’ADNe quant à la distribution des

invertébrés marins à différentes échelles spatiales dans les régions côtières de l’Arctique.

Bien que l’ADNe soit de plus en plus utilisé afin d’effectuer des relevés de biodiversité, peu

d’études ont été réalisées dans un environnement aussi extrême que l’Arctique, un milieu où

la basse température de l’eau est susceptible de diminuer la dégradation des molécules

d’ADN et ainsi jouer un rôle non négligeable dans le transport de l’ADNe. Ce rôle pourrait

entre autres être relié à une plus grande dispersion des molécules dans leur environnement.

De plus, à notre connaissance, aucune étude jusqu’à ce jour n’avait comparé la distribution

d’organismes documenté par collectes de spécimens à la distribution des organismes détectés

à l’aide de l’ADNe.

Le développement du séquençage nouvelle génération a permis de révolutionner les

domaines d’études reliés à la génomique ainsi que la biologie moléculaire en permettant le

séquençage rapide de l’ADN. Ainsi des approches telles que le métabarcoding ont pu voir le

jour et ont permis dans le cadre de ce projet la détection de plus d’une centaine d’organismes

marins vivant dans trois ports commerciaux de l’Arctique à partir de moins de 30 litres d’eau

de mer. Ces organismes ont révélé des communautés fort différentes tant au niveau local que

régional entre les ports à l’étude, mais ont aussi dévoilé des distinctions importantes entre les

approches d’échantillonnage. Entre autres, on observe que la dispersion de l’ADNe dans les

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56

environnements à l’étude entraîne une réduction de la biodiversité beta obtenu

comparativement à la collecte d’espèces à l’aide de méthodes traditionnelles. Les résultats

obtenus dans cette étude permettent également d’observer le rôle capital des stades de vie

pélagiques dans l’origine de même que la détection de certains taxons avec l’ADNe.

ADNe vs. collecte d’espèces

Au-delà du nombre important d’organismes recensés dans le cadre de ce projet de maîtrise,

l’un des éléments capitaux ressortant de cette étude est la différence considérable entre les

communautés d’invertébrés marins détectées par l’ADNe et celles obtenues par la collecte

d’espèces. Ces résultats vont dans le même sens que ceux rapportés par Kelly et al. (2017),

appuyant la nature complémentaire de ces différentes approches afin d’effectuer des suivis

de biodiversité dans le cas des invertébrés.

Bien qu’au niveau de la diversité gamma, seulement entre 9 et 15% des organismes présent

dans cette étude furent obtenus à la fois avec l’ADNe ainsi que la collecte d’espèces, de

manière plus générale les mêmes phyla furent détectés par les deux approches. Toutefois,

l’abondance relative des phyla au sein de chacune des approches est tant qu’à elle grandement

variable, principalement pour les taxons les moins abondants. Globalement, les organismes

vivants accrochés aux composantes des fonds marins, tel que les échinodermes ou les

porifères, ou encore les organismes possédant des caractéristiques physiques difficilement

identifiable, tel que les némertes, ont davantage été recensés par l’ADNe que la collecte de

spécimens. D’un autre côté, certains taxons furent uniquement retrouvés par la collecte

d’espèces comme ce fut le cas pour les brachiopodes, les foraminifères ainsi que les

Cephalorhyncha et les Chaetognatha. Un second élément témoignant d’une différence non

négligeable entre les deux approches, est le contraste obtenu par rapport à la biodiversité beta

des communautés, révélant une homogénéisation plus grande au sein des communautés

d’ADNe. De par leur dispersion dans l’eau, les molécules d’ADNe permettent fort

probablement de diminuer les taux de changements entre les communautés se trouvant à

proximité, contrastant ainsi avec l’hétérogénéité de la distribution des organismes benthiques

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grandement influencé par les caractéristiques environnementales telle que les types de fond

marin (Kedra et al. 2013, Preez et al. 2016). Il aurait été très intéressant de posséder des

données visuelles en ce qui attrait aux caractéristiques physiques des fonds marins des divers

sites échantillonnés afin de pouvoir mieux documenter les variations de diversité obtenues

au sein d’un port.

Origine, détection et transport de l’ADNe

Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet de maîtrise abondent dans la même direction

que ceux obtenus par O’Donnell et al (2016), suggérant un rôle crucial des phases de vie

pélagiques dans l’origine de l’ADNe. De ce fait, la période de reproduction se trouve à être

un facteur important à considérer lors de campagnes d’échantillonnage avec l’ADNe, puisque

l’abondance de gamètes, d’œufs ou de larves dans la colonne d’eau affectera grandement les

probabilités de détections de certains organismes. Dans un contexte où les changements

climatiques sont susceptibles de faire varier les périodes de reproductions de plusieurs

espèces benthiques (Birchenough et al. 2011), l’utilisation de l’ADNe pourrait devenir un

atout considérable dans le domaine de la phénologie.

Le transport des molécules d’ADNe de même que leur persistance sur de longues distances

est un phénomène bien documenté dans le cadre d’étude portant sur les systèmes lotiques

(Deiner et al. 2016, Deiner and Altermatt 2014). Bien qu’en milieu côtier, une étude de Kelly

et al. (2018) c’est attardé aux effets possibles des marées sur la composition des

communautés, les conséquences plausibles de différents marnages sur la

dispersion/l’homogénéisation de l’ADNe demeurent relativement inexplorées. Alors que la

distance entre les divers sites présents au sein des ports de Churchill et Iqaluit varie

considérablement (Churchill : 0.2-7km et Baie Déception : 0.3-19km), les coefficients de

corrélations obtenus entre la dissimilarité des paires de sites en fonction de la distance entre

ceux-ci sont relativement similaires de même que très faibles. Il est d’autant plus intéressant

de constater que le marnage de ces deux ports est sensiblement le même (Churchill : 3.3-

5.1m et Baie Déception : 3.6-5.7 m) alors que dans le cas d’Iqaluit, où la corrélation entre la

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dissimilarité et la distance est extrêmement faible, on retrouve des marées avec un marnage

presque doublement supérieur avec une amplitude allant de 7.5 à 11.7 m. La dispersion et

l’homogénéisation de l’ADNe dans ces milieux n’est peut-être donc pas seulement influencer

par la température de l’eau qui diminue la dégradation des molécules, mais aussi par des

phénomènes liés aux environnements côtiers tel que le marnage. D’autres études avec un plus

grand nombre de milieux côtiers seraient dès lors nécessaires afin d’en apprendre davantage

sur ce phénomène.

Faiblesses et limites du métabarcoding d’ADN environnemental

Bien que le metabarcoding d’ADNe donne lieu à l’identification rapide de centaines

d’organismes et représente ainsi une approche fort prometteuse, il n’en demeure pas moins

que certaines limitations existent au sein de cette approche moléculaire et il est essentiel de

saisir la portée de celles-ci sur les résultats obtenus et leur interprétation.

Une limite importante du métabarcoding d’ADNe est son lien étroit avec les bases de données

génétiques publiques, dont l’identification des séquences obtenues suite au séquençage est

entièrement dépendant de leur présence parmi ces bases de données. De ce fait, on estime

que seulement un très faible pourcentage des organismes de l’Arctique y sont répertoriés,

dont environ 50% des organismes benthiques connu des milieux côtiers (Lacoursière-Roussel

et al. 2018). Encore plus critique, seulement 13% des espèces marines de l’Arctique seraient

présentes dans BOLD (Hardy et al. 2011). Toutefois, bien que cette dépendance avec l’état

des bases de données publiques représente actuellement une limite, la disponibilité des

séquences obtenues dans le cadre d’une étude constitue un atout considérable. En effet, de

nouvelles correspondances entre les séquences d’une étude et les bases de données publiques

nécessite peu de temps et peuvent continuellement être mis à jour au fur et à mesure que les

bases de données s’enrichiront.

Pouvoir détecter des organismes sans avoir à les observer ou les manipuler directement

représente un atout majeur, mais possède également ces désavantages puisque les risques de

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contamination sont omniprésents, et ce jusqu’à la toute fin des manipulations. En effet, outre

les contaminations pouvant survenir lors de l’échantillonnage sur le terrain de même que lors

des manipulations en laboratoire, certaines erreurs peuvent également survenir lors du

séquençage des échantillons. Ce phénomène, appelé "tag jumps" est apte à survenir lors du

séquençage sur les plateformes Illumina en associant des séquences d’ADN aux mauvais

échantillons en raison d’un décalage dans les lectures des barcodes. Ceci peut mener à

l’introduction de mauvaises identifications et par le fait même augmenter faussement la

diversité présente dans les échantillons concernés (Schnell et al. 2015). Bien que ce

phénomène soit généralement peu fréquent, certaines précautions furent prises afin de limiter

au maximum ces mauvais assignements entre les séquences et les échantillons. Entre autres,

les échantillons furent séquencés séparément en fonction de leur provenance respective

(Churchill, Baie Déception et Iqaluit) en addition à l’utilisation d’une plus grande quantité

du contrôle de calibration d’Illumina (PhiX Control) afin d’augmenter la qualité et le niveau

de confiance du séquençage.

Applications et perspectives futures pour la protection de la biodiversité

Le projet de recherche mis de l’avant dans ce mémoire, bien que présentant des notions de

nature davantage théorique qu’appliqué, sera d’une grande utilité pour les plans de gestion et

de conservation futurs. Il serait d’ailleurs très pertinent de réaliser une étude similaire avec

un plus grands nombres d’écosystèmes portuaires arctiques afin d’approfondir le rôle de

différentes variables environnementales telles que la température de l’eau et le marnage sur

la dispersion de l’ADNe. Étant donné l’importance que joue la sensibilisation dans la

protection de la biodiversité, la participation de plusieurs habitants de Churchill, Baie

Déception et Iqaluit lors des campagnes d’échantillonnage de cette étude, est d’un grand

intérêt. La simplicité de la méthode d’échantillonnage utilisée sur le terrain dans le cadre de

ce projet constitue d’ailleurs l’une des forces majeures de l’approche puisqu’elle peut être

effectuée par un large éventail de personnes, ne nécessitant que quelques connaissances

rudimentaires sur le sujet. Outre les efforts de sensibilisation, l’utilisation de divers indices

de biodiversité dans le cadre de cette étude, a permis de soulever de nombreuses pistes de

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réflexion sur la dispersion de l’ADNe ainsi que sur les facteurs abiotiques et biotiques

influençant sa détection, éléments à ne pas négliger avec l’utilisation de l’ADNe. De cette

façon, des programmes d’échantillonnage plus adaptés pourront être mis sur pied par les

gestionnaires de la faune dans le but de répondre à des problématiques concrètes, que ce soit

pour la détection d’espèce précises ou encore afin d’évaluer la biodiversité d’un secteur pour

une éventuelle délimitation d’une aire protégée. Alors qu’un nombre important d’espèces

exotiques envahissantes se propagent lors de leur phase pélagique, qui sont souvent

taxonomiquement difficile à identifier à ces stades de développement, l’utilisation de l’ADNe

représente une approche fort attrayante. Cette étude met également bien en perspective

l’intérêt qu’il sera nécessaire de porter à la variation temporelle étant donné l’importance que

pourrait jouer les stades de vie pélagique dans l’origine et la détection de l’ADNe chez

certains invertébrés marins et puisque ces stades de vie sont la plupart du temps intimement

lié aux saisons. Pour conclure, alors que la diversité fonctionnelle prend de plus en plus

d’ampleur dans le domaine de l’écologie, le metabarcoding d’ADNe représente une avenue

intéressante et jusqu’ici inexploitée, qui permettrait d’obtenir des informations cruciales sur

les conséquences possibles quant à l’ajout ou la suppression de certains organismes dans les

réseaux trophiques et à plus large échelle dans les écosystèmes.

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