Struttura di comunità e andamento temporale del fitoplancton: un confronto tra microscopia e metabarcoding

Monitoring the structure and composition of phytoplankton communities is essential to detect changes in the marine ecosystems, also related to climate changes. In this study, the phytoplankton community of an eLTER station in the northern Adriatic Sea was analyzed combining microscopy and metabarcoding (targeting the V4 and V9 regions of the 18S rRNA gene and using SILVA and PR2 as reference databases), to highlight the advantages and disadvantages in their use. Metabarcoding revealed an undetected biodiversity, identifying 99 genera and 151 species that were never recorded in the study area but failed in revealing most coccolithophores. Microscopy analysis found 14 genera and 44 species that were not detected by metabarcoding. Considering that metabarcoding measures the quantity of sequences present in a sample, larger cells (e.g., dinoflagellates), with more copies of the 18S rRNA gene, could be overestimated. Therefore, we applied conversion factors both for the relative abundances and biomasses. Our results showed that the application of conversion factor narrows the gap between the microscopy and metabarcoding methods in the estimation of the relative abundances. On the contrary, the use of CF for biomass decreases the similarity between metabarcoding and microscopy, compared to the data without the use of CF. In conclusion, metabarcoding is a powerful tool to improve the assessment of phytoplankton diversity, although it requires improvements, such as the implementation of reference databases, and regular checks in the taxonomy assignments and nomenclature. However, it should still be combined with microscopy to have a more comprehensive view of phytoplankton communities. In this context, CF are valuable tools that potentially enhance data comparison between the two methods, but further testing and refinement are necessary to identify the most suitable ones, especially for biomass data.

Il monitoraggio della biodiversità della comunità fitoplanctonica è essenziale per rilevare la salute degli ecosistemi marini, anche in relazione ai cambiamenti climatici. In questo studio è stata analizzata la comunità fitoplanctonica della stazione costiera del sito eLTER Senigallia-Susak transect nel mare Adriatico settentrionale, combinando microscopia ottica e metabarcoding (considerando le regioni V4 e V9 del gene 18S rRNA e utilizzando SILVA e PR2 come database di riferimento), al fine di evidenziare i vantaggi e gli svantaggi di ciascun metodo. Il metabarcoding è uno strumento straordinario per rilevare la composizione tassonomica del popolamento fitoplanctonico ma permette di ottenere solo la sua composizione in termini percentuali (abbondanza e biomassa relativa). D’altra parte, il metodo classico (microscopio ottico rovesciato) fornisce i valori di abbondanza e biomassa assoluti, ma ha un potere risolutivo molto inferiore nell’identificazione dei taxa. Il metabarcoding ha rilevato 99 generi e 151 specie mai registrate nell’area di studio; d’altra parte, l'analisi al microscopio ha identificato 14 generi e 44 specie non trovate mediante analisi tramite metabarcoding. Considerando che il metabarcoding misura la quantità di determinate sequenze di DNA presenti in un campione e non il numero delle singole cellule presenti, gruppi fitoplanctonici caratterizzati da nuclei più grandi (es. dinoflagellate), che generalmente possiedono più copie del gene 18S rRNA, risultano sovrastimati. Pertanto, in questo studio sono stati applicati fattori di conversione (CF) sia ai valori di abbondanza sia a quelli di biomassa, e i risultati ottenuti sono stati paragonati a quelli forniti dalla microscopia. La composizione del popolamento in termini di abbondanza, ottenuta tramite analisi con il metebarcoding, dopo l’applicazione del CF è risultata comparabile con quella ottenuta attraverso il conteggio al microscopio: le fitoflagellate erano il gruppo dominante in tutto il periodo di studio, seguite dalle diatomee e dalle dinoflagellate. Al contrario, senza l’applicazione del CF, il metabarcoding sovrastimava le dinoflagellate che risultavano dominanti in quasi tutto il periodo di studio, anche quando il gruppo dominante era quello delle diatomee. Per quanto riguarda la biomassa, l’applicazione del CF ai valori ottenuti tramite il metabarcoding non ha prodotto risultati soddisfacenti quando confrontati con i valori ottenuti al microscopio tramite la stima dei biovolumi cellulari. In conclusione, il metabarcoding è in grado di identificare un numero di taxa ben superiore a quello ottenuto tramite microscopia, ma richiede l’implementazione dei database di riferimento e controlli regolari nelle assegnazioni tassonomiche e nella nomenclatura, date le numerose lacune ancora presenti in alcuni dataset relativi a determinati taxa (in particolare i coccolitofori). Tuttavia, il metodo molecolare dovrebbe essere combinato con l’analisi al microscopio che fornisce la stima dell’abbondanza assoluta. In questo contesto, i fattori di conversione si sono rivelati strumenti preziosi che potenzialmente possono migliorare il confronto dei dati ottenuti tramite i due metodi, ma sono necessari ulteriori esperimenti per identificare i CF più adatti, specialmente per i dati di biomassa.