Baltic Breakfast: Ny DNA-metod avslöjar cyanobakteriernas överraskande roll i Östersjöns näringsväv

– Om man verkligen vill förstå hur ekosystem fungerar och hur människan påverkar dem, måste man också ta hänsyn till den biologiska mångfalden i näringsväven, inledde Monika Winder, professor vid Institutionen för ekologi, miljö och botanik vid Stockholms universitet, vid senaste Baltic Breakfast som hölls på engelska.

Den marina näringsväven rymmer en stor mångfald av arter, även i Östersjön, och särskilt längst ner i näringsväven – där primärproducenterna finns, förklarar Monika Winder. Dessa fytoplankton förekommer i många olika former och storlekar. De runda och kedjebildande kiselalgerna och de trådformiga arterna som cyanobakterier fyller alla mycket viktiga och olika funktioner i ekosystemet.

Även nästa nivå i näringsväven – zooplankton – rymmer stor mångfald. Dominerande är hoppkräftorna och organismer som hjuldjur och hinnkräftor.

– Zooplankton är viktiga eftersom de betar på fytoplankton och därmed håller algblomningarna i schack, men de överför också energi från fytoplankton till högre trofiska nivåer, säger Monika Winder.

En nivå högre upp finns de små zooplanktonätande fiskarna. Den här gruppen är mindre artrik – i Östersjön domineras den av sill, skarpsill och spigg.

– Alla dessa arter interagerar på många olika och komplexa sätt och bildar nätverk av interaktioner – det vi kallar näringsvävar – som överför energi, kol och näringsämnen till högre trofiska nivåer, säger Monika Winder. Näringsvävarna är motorn i friska, motståndskraftiga och artrika hav.

Snabba pågående förändringar

Östersjöns näringsvävar förändras dock snabbt just nu, på grund av klimatförändringar och mänskliga aktiviteter. Vårblomningen inträffar tidigare än förr och visar en ökning av dinoflagellater, och det sker också en ökad cyanobakterieblomning under sommaren.
Intressant nog är det framför allt de småväxta cyanobakterierna som har ökat under de senaste decennierna, berättar Monika Winder.

Sammansättningen av zooplankton förändras också, med en minskning av viktiga hoppkräftearter och en ökning av hjuldjur. Längre upp i näringsväven minskar sill och skarpsill, medan spiggen ökar.

Alla dessa förändringar omorganiserar hur arterna interagerar. Om vi vill förutsäga hur ekosystemen svarar på denna förändrade biodiversitet behöver vi förstå hur näringsvävar är uppbyggda och hur de fungerar, säger Monika Winder.

De näringsvävsmodeller som används idag misslyckas generellt med att ta hänsyn till biodiversiteten, särskilt på lägre trofiska nivåer, menar Monika Winder. Modellerna utgår vanligtvis från att zooplankton enbart äter dinoflagellater och kiselalger, och att cyanobakterier inte äts alls. De bortser också från arternas preferenser för olika byten och från säsongsvariationer – något som blir allt viktigare i takt med att arternas säsongsmönster förskjuts.

Ny metod ger överraskande resultat

För att täppa till dessa kunskapsluckor använder Monika Winder och hennes kollegor en ny DNA-metod, så kallad metabarcoding. Omfattande provtagning har följts av DNA-analys av identifierade zooplanktonarter, som jämfördes med innehållet i vattnet. Detta gjorde det möjligt att dra slutsatser om vem som ätit vem och om selektivitet, det vill säga vilket byte som arterna föredrar.

– Det här angreppssättet förändrade verkligen vår syn på planktoninteraktioner, berättar Monika Winder. Det mest intressanta är att vi ser att cyanobakterier verkligen är viktiga för att stödja sekundärproduktionen.

Resultaten visar att stora hoppkräftor äter pikocyanobakterier och att trådformiga cyanobakterier betas av flera zooplankton, medan andelen kiselalger och dinoflagellater i deras kost var relativt låg. Totalt sett utgjorde cyanobakterier 70 procent av vad zooplankton åt.

Resultaten visade också tydliga säsongsmönster. Från vinter till vår flödar energin huvudsakligen genom kiselalger och dinoflagellater, medan cyanobakterier dominerar under sommar och tidig höst. I sen höst blir kiselalger och dinoflagellater viktigare igen.

– Vi behöver verkligen revidera vår förståelse av cyanobakteriernas roll i näringsväven, konstaterar Monika Winder.

Moderator Ellen Bruno frågar om zooplankton äter cyanobakterier för att de föredrar dem eller helt enkelt för att de är vanligt förekommande. Svaret, säger Monika Winder, handlar till stor del om tajming. Hoppkräftorna föredrar egentligen kiselalger och dinoflagellater, men dessa förekommer som mest under tidig vår när hoppkräftorna fortfarande är fåtaliga. På sommaren, när hoppkräftorna är talrika, dominerar cyanobakterierna.

– Så i princip kanske hoppkräftorna inte har något annat val, säger Monika Winder.

Fisk och ökad konkurrens

Även tarminnehållet hos pelagisk fisk undersöktes med metoden DNA-metabarcoding, vilket avslöjade att sill, skarpsill och spigg förvånande nog har helt olika ekologiska nischer – i motsats till vad som vanligtvis antas i modeller.

Detta verkar dock förändras i takt med att temperaturen i havet stiger. En rekonstruktion av energiflödena över 16 år, presenterad av Kinlan Jan, PhD från Stockholms universitet som nu är på väg till Queen's University Belfast, visar att i takt med att temperaturen har ökat har de tre arternas kostval blivit mer lika. Detta tycks vara kopplat till en minskning av Pseudocalanus – en hoppkräfta som tidigare var en viktig del av födan för sill och skarpsill.

Dietöverlappet mellan de tre arterna är störst på våren, när diversiteten bland bytesdjuren är som lägst och predationstrycket på zooplankton som högst.

– Våren kan fungera som en flaskhals, eftersom resurserna begränsar fiskproduktionen, säger Kinlan Jan. Och om vi lägger konkurrens ovanpå det kan det bli riktigt illa för fisken.

Resultaten stärker också bilden av att mångfalden av trofiska interaktioner bidrar till ekosystemets funktion och motståndskraft.

– Om det finns en mångfald av arter kan en art som minskar ersättas av en annan som fyller dess funktion, eftersom det finns alternativa energivägar, förklarar Kinlan Jan.

Betydelse för förvaltningen

Den kunskap som DNA-metabarcoding har gett kan vara viktig för att uppnå en ekosystembaserad fiskeförvaltning, menar Monika Winder.

– Jag tror att en anledning till att fiskeriförvaltningen har misslyckats med att bevara sill- och skarpsillbestånden är osäkerheten om hur ekosystemen svarar på miljöförändringar. Att veta hur arterna bidrar och var flaskhalsarna finns kan hjälpa oss att vara bättre förberedda när ekosystemen förändras, säger hon.

Text: Lisa Bergqvist

Se en inspelning av seminariet