New Insights on Polar Bear (Ursus maritimus) Diet from Faeces based on Next-Generation Sequencing Technologies

• Published in: ARCTIC
• Main Authors: Michaux, Johan, Dyck, Markus, Boag, Peter, Lougheed, Stephen, van Coeverden de Groot, Peter
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: The Arctic Institute of North America 2021
• Subjects: polar bear; Ursus maritimus; diet; next generation sequencing; climate change; mitochondrial cytochrome b; ringed seal; ours polaire; régime alimentaire; séquençage de dernière génération; changement climatique; gène mitochondrial cytochrome b; phoque annelé; Arctic; Barbu; Canada; Nunavut; Phoques; Renard; Arctic Fox; Arctique*; bearded seal; Canis lupus; Churchill; Climate change; Erignathus barbatus; harbour seal; Lagopède alpin; muskox; ovibos moschatus; Phoca vitulina; Phoque barbu; phoque commun; Pusa hispida; renard arctique; Sea ice; Vulpes lagopus
• Online Access: https://journalhosting.ucalgary.ca/index.php/arctic/article/view/72239

Practical tools to quantify range-wide dietary choices of the polar bear have not been well developed, thus impeding the monitoring of this species in a changing climate. Here we describe our steps toward non-invasive polar bear diet determination with the optimization of 454 pyrosequencing of a 136 base pair (bp) mitochondrial cytochrome b (cytb) fragment amplified from the extracts of captive and wild polar bear faeces. We first determine the efficacy, reliability, and accuracy of our method using five faecal samples from a captive polar bear fed a known diet at the Canadian Polar Bear Habitat in Cochrane, Ontario, Canada; 19 samples from three polar bears at the Metro Toronto Zoo, Toronto, Ontario, Canada; and seven samples from seven wild (unfed) polar bears from a holding facility in Churchill, Manitoba, Canada. We report 91% overall success in amplifying a 136 bp cytb amplicon from the faeces of polar bears. Our DNA analyses accurately recovered the vertebrate diet profiles of captive bears fed known diets. We then characterized multiyear vertebrate prey diet choices from free-ranging polar bears from the sea ice of the M’Clintock Channel polar bear management unit, Nunavut, Canada (n = 117 from an unknown number of bears). These data point to a diet unsurprisingly dominated by ringed seal (Pusa hispida) while including evidence of bearded seal (Erignathus barbatus), harbour seal (Phoca vitulina), muskox (Ovibos moschatus ssp.), Arctic fox (Vulpes lagopus), wolf (Canis lupus), Herring Gull (Larus argentatus), and Willow Ptarmigan (Lagopus lagopus). We found low levels of contamination (< 3% of sequences when present) and suggest specific process improvements to reduce contamination in range-wide studies. Together, these findings indicate that next-generation sequencing-based diet assessments show great promise in monitoring free-ranging polar bears in this time of climate change. La réduction de la calotte glaciaire arctique suite au changement climatique risque d’avoir un effet direct sur la capacité des ours polaires à capturer les phoques, leurs principales sources de nourriture. Une surveillance précise des changements alimentaires des ours polaires s’avère ainsi essentielle pour mieux cerner l’impact des changements climatiques sur la survie de cette espèce. Nous détaillons dans cette étude, l’optimisation d’une méthode non invasive basée sur le séquençage de dernière génération (next generation sequencing - NGS) d’un fragment du gène mitochondrial cytochrome b (cytB) de 136 bp à partir de fèces d’ours polaires sauvages collectées en milieu naturel. Pour déterminer l’efficacité, la fiabilité et l’exactitude de notre méthode, nous avons analysé des fèces d›ours polaires en captivité dont le régime alimentaire était connu (Zoo Cochrane (n = 5), Toronto (Ontario, Canada) (n = 17) et des fèces d’ours polaires sauvages provenant de la ville de Churchill (Manitoba, Canada) (n= 7)) ainsi que de la région située au niveau du détroit de M’Clintock (Nunavut, Canada)(n= 117). Ces dernières fèces ont été analysées pour mieux cerner les choix alimentaires pluriannuels des ours polaires sauvages. Les profils alimentaires des ours captifs nourris avec des aliments connus ont été estimés avec précision et ont validé notre méthode. Notre étude sur les ours polaires sauvages du détroit de M’Clintock a révélé que même si le phoque annelé (Phoca hispidia) constituait la majorité de leur régime alimentaire, le phoque barbu (Erignathus barbatus), le phoque commun (Phoca vitulina), le boeuf musqué (Ovibos spp.), le renard arctique (Vulpes lagopus), le loup (Canis lupus), le goéland argenté (Larus argentatus) et le lagopède alpin (Lagopus lagopus) constituaient également des proies. Les risques de contaminations lors de l’utilisation de ces technologies NGS sont également discutés. De faibles degrés de contamination ont été observés (< 3 % des séquences lorsque la contamination était présente). Différentes stratégies sont proposées pour diminuer encore ces risques de contaminations. En conclusion notre étude démontre que les techniques de séquençage de dernière génération s’avèrent trés prometteuses pour l’étude de l’impact du changement climatique sur le régime alimentaire des ours polaires sauvages.