Integrative Biodiversity Inventories: Characterizing Lichen-Forming Fungal Diversity in Glen Canyon National Recreation Area Using DNA Barcoding and Vouchered Specimens

Abstract

Abstract. The Colorado River and its tributaries on the Colorado Plateau are home to unique desert river ecosystems and changing environmental conditions. Within this region, the Glen Canyon National Recreation Area (GCNRA) is composed of rugged, high desert terrain and is managed by the United States National Park Service as both a recreational and conservation area. Despite the ecological and economic importance of GCNRA, significant components of the ecological communities therein remain poorly characterized, including lichens. Accurately characterizing lichen-forming fungal diversity is challenging due to poorly known taxonomic groups, underexplored regions/habitats, and varying interpretations of morphological differences, including the recognition of environmentally modified forms. To better understand lichen diversity in GCNRA, we used an integrative taxonomic approach, incorporating both traditional morphology-based identification and information from the standard fungal DNA barcoding marker, the ITS, to compile a thorough inventory of lichen-forming fungi in Fifty-Mile Canyon. Vouchered lichen specimens were collected in 2019, and from these the ITS marker was sequenced. Candidate species-level lineages were delimited from family-level multiple sequence alignments using the Assemble Species by Automatic Partitioning web server. Specimens comprising DNA-based candidate species were then evaluated using traditional taxonomically diagnostic characters to link these, where possible, to currently described species. For Fifty-Mile Canyon, we document 100 putative species in 15 families, each represented by vouchered specimens, ITS sequence data, and photographic documentation. For comparison, a survey of historic records from GCNRA revealed a total of 124 documented lichen-forming fungal species throughout the NRA and adjacent land. Approximately 50% of the species documented in Fifty-Mile Canyon had not previously been found in GCNRA, and similar proportions of species diversity have been documented in GCNRA but not observed in our survey. We report 3 species new to North America—Calogaya ferrugineoides (H. Magn.) Arup, Frödén & Søchting, Endocarpon deserticola T. Zhang, X.L. Wei & J.C. Wei, and Xanthocarpia ferrarii (Bagl.) Frödén, Arup & Søchting—verified using ITS sequencing data. In addition, Circinaria squamulosa sp. nov. is formally described here, currently known only from sandstone slabs in Fifty-Mile Canyon. However, the taxonomic identity of many of the candidate species from Fifty-Mile Canyon remained ambiguous at the species level, and some collections likely represent undescribed species-level lineages. Our results revealed unexpected, high species-level diversity of lichen-forming fungi at local scales and that overall lichen diversity across the entire GCNRA is likely vastly undercounted. These data—including DNA barcodes for the vast majority of lichen-forming fungi occurring in this canyon—provide an important resource that can be integrated into subsequent lichen biodiversity research in the southwestern United States and other semiarid climates. Resumen. El río Colorado y sus afluentes en la meseta de Colorado albergan ecosistemas fluviales desérticos únicos y condiciones ambientales cambiantes. Dentro de esta región, el Área Recreativa Nacional de Glen Canyon (GCNRA, por sus siglas en inglés) se compone de un terreno desértico irregular y elevado, el cual es administrado por el Servicio de Parques Nacionales de los Estados Unidos como área recreativa y de conservación. A pesar de la importancia ecológica y económica de GCNRA, varios componentes importantes de las comunidades ecológicas que allí se encuentran permanecen mal caracterizados, incluidos los líquenes. El caracterizar la diversidad precisa de los hongos formadores de líquenes representa un desafío debido a que se trata de grupos taxonómicos poco conocidos, regiones/hábitats escasamente explorados y diversas interpretaciones de las diferencias morfológicas, incluido el reconocimiento de formas modificadas por el medio ambiente. Para comprender mejor la diversidad de líquenes en GCNRA, utilizamos un enfoque taxonómico integrador, incorporando tanto la identificación tradicional basada en la morfología como la información del marcador de código de barras de ADN de hongos estándar (marcador ITS), para compilar un inventario completo de hongos formadores de líquenes en Fifty-Mile Canyon. En 2019 se recolectaron especímenes de liquen, y de estos se secuenció el marcador ITS. Los linajes candidatos a nivel de especie se delimitaron a partir de alineaciones de secuencias múltiples a nivel de familia, utilizando el servidor web Assemble Species by Automatic Partitioning. Posteriormente, se evaluó los especímenes que comprenden especies candidatas basadas en el ADN, utilizando cuando fue posible, caracteres tradicionales de diagnóstico taxonómico para vincularlos con las especies descritas actualmente. En Fifty-Mile Canyon, documentamos 100 especies putativas de 15 familias, cada una representada por especímenes certificados, datos de secuencia de ITS y documentación fotográfica. A modo de comparación, un muestreo de registros históricos de GCNRA reveló un total de 124 especies de hongos formadores de líquenes, documentadas en toda la NRA y las tierras adyacentes. Aproximadamente el 50% de las especies documentadas en Fifty-Mile Canyon no se habían encontrado previamente en GCNRA, y proporciones similares de diversidad de especies se han encontrado en GCNRA, pero no se observaron en nuestro estudio. Registramos tres especies nuevas en Norteamérica: Calogaya ferrugineoides (H. Magn.) Arup, Frödén & Søchting, Endocarpon deserticola T. Zhang, X.L. Wei & J.C. Wei y Xanthocarpia ferrarii (Bagl.) Frödén, Arup & Søchting, verificadas usando datos de secuencia de ITS. Además, describimos formalmente a Circinaria squamulosa sp. nov., actualmente sólo conocido en losas de arenisca en Fifty-Mile Canyon. Sin embargo, la identidad taxonómica de muchas de las especies candidatas de Fifty-Mile Canyon permaneció ambigua a nivel de especie, y algunas colecciones probablemente representan linajes a nivel de especie no descritos. Nuestros resultados revelaron una gran e inesperada diversidad a nivel de especie de hongos formadores de líquenes a escala local y la diversidad general de líquenes en todo el GCNRA probablemente esté muy subestimada. Estos datos, incluidos los códigos de barras de ADN de la gran mayoría de los hongos formadores de líquenes que se encuentran en este cañón, proporcionan un recurso importante que puede integrarse en investigaciones posteriores acerca de la biodiversidad de líquenes en el suroeste de los Estados Unidos y otros climas semiáridos.