Seasonal variation of success in DNA-extraction from brown bear fecal samples

Abstract

Kopatz, A., Kleven, O. & Flagstad, Ø. 2020. Seasonal variation of success in DNA-extraction from brown bear fecal samples. NINA Report 1775. Norwegian Institute for Nature Research. Brown bears (Ursus arctos) in Norway are monitored annually with DNA-based methods of non-invasively collected biological material for identification of individual and sex. Feces samples make up the largest part of the sample material collected throughout the year. However, feces samples collected during spring and summer specifically, have shown relatively low positive, genotyping success rates. Those samples are important to the Norwegian wildlife management, as they are often collected from sites of human-bear conflicts and other locations. In the following pilot study we explored alternative fecal storage and DNA-extraction protocols in order to evalu-ate how to potentially increase genotyping success rates of feces samples collected in spring and summer. We used fresh brown bear feces samples collected by experienced field personnel from May to October 2019 in Troms, Trøndelag and Hedmark. From each feces found, the trained personnel took two separate samples: one sample was stored on silica, and the other was stored in an empty tube without silica. We used a total of 94 feces samples to extract DNA using three different extraction methods, which are currently successfully applied in the DNA-based monitoring using feces in other large carnivores. After DNA-extraction, samples were genotyped with eight microsatellite markers used in the monitoring of brown bears for individual identification. For samples collected during spring and early summer (May to July), genotyping success was relatively low for all three methods. In terms of sample storage, the silica-based stored samples displayed slightly higher genotyping success rates than samples stored without silica. From late summer to autumn, success rates increased rapidly, to over 80% in October. The results showed a strong, seasonal variation in genotyping success. The low genotyping success rates of feces in spring and summer compared to e.g. hair samples collected during the same period of the year, might suggest that hair samples could offer a more informative alternative. The genotyping success rate of hair samples from 2018 seemed rather constant across the year and was above 50% during spring time. However, from August on, the genotyping success rates of feces surpassed the success rate of hair samples, and was considerably higher in September and October. For an effective, DNA-based monitoring it is crucial to identify the limiting and influencing factors affecting the success rate. In this study we focused on the sample storage and DNA-extraction. Based on our study, the tested alternatives on both storage and extraction, delivered comparable results, but with samples stored on silica having slightly higher success rates during spring.

Kopatz, A., Kleven, O. & Flagstad, Ø. 2020. Årstidsavhengig suksess med DNA-ekstraksjon fra ekskrement-prøver. NINA Rapport 1775. Norsk institutt for naturforskning. Brunbjørn (Ursus arctos) i Norge overvåkes årlig med DNA-baserte metoder av ikke-invasivt innsamlet biologisk materiale for identifisering av individ og kjønn. Ekskrementprøver utgjør mesteparten av materialet som blir samlet inn i løpet av året. For ekskrementprøver samlet inn i løpet av vår og sommer har suksessraten med å fremskaffe genotyper vært relativt lav. Disse prøvene er ofte viktige for forvaltningen ettersom de gjerne samles inn på steder med konflikter mellom mennesker og bjørn, samt ved andre viktige lokaliteter. I dette pilot-studiet har vi undersøkt ulike lagringsmetoder og DNA-ekstraksjonsprotokoller for om mulig å øke suksessratene med geno-typing av ekskrementprøver samlet inn i løpet av vår og sommer. Vi benyttet ferske ekskrement-prøver samlet inn i perioden mai til oktober 2019 i Troms, Trøndelag og Hedmark av erfarne feltarbeidere. Fra hver ekskrement ble det samlet to prøver, en prøve som ble lagret på rør med silica og en prøve på rør uten silica. Vi inkluderte totalt 94 ekskrement-prøver, som ble ekstrahert med tre ulike metoder, som benyttes for DNA-ekstraksjon fra ekskrementprøver fra andre store rovdyr. Etter DNA-ekstraksjon ble prøvene genotypet med åtte mikrosatelitt-markører, som be-nyttes i forbindelse med den nasjonale overvåkingen av brunbjørn, for individbestemmelse. For prøver som ble samlet inn i løpet av vår og tidlig sommer (mai til juli) var det relativt lav suksess-rate med å fremskaffe genotyper for alle tre metodene. Med hensyn til lagring så var det noe høyere genotyping-suksessrate for prøver lagret på silica sammenliknet med prøver lagret uten silica. Fra sen sommer til høst så økte suksessraten med begge lagringsmetodene til over 80% i oktober. Resultatene viste en sterk sesongavhengig variasjon i genotyping-suksessrate. Den lave suksessraten med å fremskaffe genotyper fra ekskrementprøver samlet inn i løpet av vår og sommer, sammenliknet med f.eks. hårprøver samlet inn på samme tid av året, indikerer at hårprøver er et bedre alternativ i denne tidsperioden. Suksessraten med å fremskaffe genotyper fra hårprøver samlet inn i 2018 var ganske konstant gjennom året og var over 50% for prøver samlet inn om våren. For prøver samlet inn fra og med august var det derimot høyere suksess-rate med å fremskaffe genotyper fra ekskrementer sammenliknet med hår, og suksessraten var betydelig høyere for prøver samlet inn i september og oktober. For en effektiv DNA-basert over-våking er det viktig å identifisere faktorer som begrenser og påvirker suksessraten. I dette studiet fokuserte vi på lagringmedium og DNA-ekstraksjonsmetode. Basert på våre resultatervårt studie, så gav de ulike lagringsmediene og DNA-ekstraksjonsmetodene ganske like resultater, men med noe høyere suksessrate for vårprøver lagret på silica.