Airborne pollen patterns along an altitudinal gradient of the Italian Alps: combination of classical pollen identification methods and next generation sequencing on environmental DNA

Abstract

The aim of the study was (i) the development of an efficient method for pollen taxonomic identification from complex environmental samples by use of molecular approaches, and (ii) the application of this method for the detection of spatio-temporal patterns of airborne pollen in a mountainous area and the evaluation of the potential of metabarcoding to be used for monitoring vegetation changes. We developed an optimal protocol for processing samples of different type and complexity for DNA extraction, further applied Sanger and next generation sequencing (NGS), and compared results to those taken by classical microscopy. We applied this protocol in combination with NGS to environmental samples from six habitats along the altitudinal gradient of the Italian Alps (National Park of Paneveggio–Pale di San Martino). Providing high resolution taxonomic results, metabarcoding can be used for biodiversity assessments and floral surveys and for monitoring vegetation changes, particularly those expressed in species composition rather than in species abundance.

Σκοπός της διατριβής ήταν (α) η ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας ανίχνευσης και ταυτοποίησης γύρης σε περιβαλλοντικά δείγματα με εφαρμογή μοριακών προσεγγίσεων και (β) η εφαρμογή αυτής της μεθοδολογίας για την ανίχνευση χωρικών και χρονικών προτύπων της αερομεταφερόμενης γύρης σε μια υψομετρική διαβάθμιση και τη διερεύνηση της δυνατότητας να χρησιμοποιηθεί η προσέγγιση metabarcoding για την βιοπαρακολούθηση των αλλαγών της βλάστησης. Αναπτύχθηκε κατάλληλο πρωτόκολλο επεξεργασίας δειγμάτων διαφορετικού τύπου και πολυπλοκότητας προς απομόνωση του DNA γύρης, χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι αλληλούχισης Sanger και νέας γενιάς (NGS) και συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα που προέκυψαν με τα προερχόμενα από την κλασική μέθοδο ταυτοποίησης γύρης με μικροσκόπιο. Το πρωτόκολλο αυτό σε συνδυασμό με τη μέθοδο NGS εφαρμόστηκε σε περιβαλλοντικά δείγματα από έξι οικοτόπους των Ιταλικών Άλπεων (εθνικό πάρκο Paneveggio–Pale di San Martino) ενώ κατασκευάστηκε μια τοπική βάση δεδομένων με αλληλουχίες DNA για τα taxa γύρης της περιοχής. Παρέχοντας υψηλής ανάλυσης αποτελέσματα, η προσέγγιση metabarcoding μπορεί να εφαρμοστεί για εκτίμηση της φυτικής βιοποικιλότητας και για την παρακολούθηση αλλαγών στη βλάστησης, κυρίως αυτών που αφορούν στη σύνθεση παρά στην αφθονία των ειδών.