Echoes of the Past: Finding the Secrets of Ancient Ecosystems using SedaDNA

Abstract

Using sedimentary ancient DNA (sedaDNA) we can reconstruct past ecosystems and investigate biotic and abiotic drivers of ecosystem change. Mammalian sedaDNA is more challenging to obtain so we developed a dual human DNA blocking strategy to amplify more rare mammalian taxa. We then applied mammalian and plant sedaDNA metabarcoding to a Late Pleistocene (19 – 15 thousand years before present, ka BP) record from the United Kingdom. The floral and faunal record revealed a complex steppe-tundra community, with mammoth (<i>Mammuthus primigenius</i>) presence coinciding with increased floral richness, suggesting they created ecological niches. The steppe tundra, once a widespread habitat, now survives only as scattered relics within grasslands and refugia for cold-adapted plants during this current interstadial, the Holocene (11.7 ka BP – present). The Alps, harbouring many taxa that were components of past steppe-tundra, are under threat; warming at three times the world’s global average. We applied sedaDNA metabarcoding to sediments from the Alps, spanning the Holocene to identify the roles of climate change and anthropogenic activities on the plant biodiversity. First, they were applied to one lake, and then across 14 lakes. The plant dynamics uncovered at the first lake were echoed across the whole Alps, underscoring role of meadow management to maintain the highly biodiverse ecosystems held within these refugia. This first large-scale, temporal analysis of both plant and animal sedaDNA in the region revealed 603 plant taxa, six domesticated, and 23 wild mammalian taxa. Together, these papers demonstrate an advancement in field of sedaDNA to ensure high resolution plant and animal data, and examples of ways in which it can be used. Here we provide valuable information about the past, the formation of present-day plant communities, and future biodiversity practices.

Ved hjelp av sedimentær eldgammel DNA (sedaDNA) kan vi rekonstruere tidligere økosystemer og undersøke biotiske og abiotiske faktorer som fører til økosystemendringer. SedDNA fra pattedyr er mer utfordrende å hente ut, så vi utviklet en strategi for å blokkere menneskelig DNA for å kunne fange opp flere pattedyrtaksa. Vi anvendte deretter metabarkoding av pattedyr- og plante-sedaDNA på et senpleistocentisk (19–15 tusen år før nåtid, ka BP) sedimentarkiv fra Storbritannia. Plante- og dyrelivregistrene avslørte et komplekst steppe-tundra-samfunn, der tilstedeværelse av mammut (<i>Mammuthus primigenius</i>) sammenfalt med økt planteartsrikdom, noe som antyder at de skapte økologiske nisjer. Steppe-tundraen, som en gang var et utbredt habitat, overlever i dag kun som spredte rester i gressletter og i tilfluktssteder for kuldetilpassede planter i det nåværende mellomistidklimaet, Holocen (11,7 ka BP– i dag). Alpene, som huser mange taksa som var en del av tidligere steppe-tundra, er truet og varmes opp tre ganger raskere enn verdens gjennomsnitt. Vi brukte sedaDNA-metabarkoding på sedimenter som dekker hele Holocen i Alpene for å identifisere klimaforandringers og menneskelig aktivitets rolle for plantebiodiversitet. Først ble det anvendt på én innsjø, og deretter på 14 innsjøer. Plantedynamikken som tidligere ble avdekket ved den første innsjøen ble gjenspeilet over hele Alpene, og understreker betydningen av omestikerte for å opprettholde de svært artsrike økosystemene som finnes i disse tilfluktsområdene. Denne første storskala, tidsmessige analysen av både plante- og dyre-sedaDNA i regionen avslørte 603 plantetaksa, hvorav seks domestiserte, og 23 ville pattedyrtaksa. Samlet viser disse studiene et fremskritt innen sedaDNA-feltet for å sikre høyoppløselige plante- og dyredata, og eksempler på hvordan teknologien kan brukes til å gi verdifull informasjon om fortiden, dannelsen av dagens plantesamfunn og fremtidige praksiser for biodiversitet.