Undersøgelse bruger planktongenomer som globale biosensorer for stress i havets økosystemer

Ved at analysere gevinster og tab i generne af fytoplanktonprøver indsamlet i alle større havområder, forskere ved University of California, Irvine har skabt det mest nuancerede og højopløselige kort til dato for at vise, hvor disse fotosyntetiske organismer enten trives eller er tvunget til at tilpasse sig begrænsede mængder af nøglenæringsstoffer, nitrogen, fosfor og jern.

Som en del af det nye Bio-GO-SHIP initiativ, UCI-forskerne lavede otte indsættelser på seks forskellige forskningsfartøjer, tilbragte 228 dage på havet i Atlanterhavet, Stillehavet og Indiske oceaner. De genererede næsten 1, 000 oceanmetagenomer fra 930 steder rundt om på kloden, med en gennemsnitlig afstand mellem indsamlingssteder på 26,5 kilometer (ca. 16,5 miles).

I en undersøgelse offentliggjort i dag i Videnskab , UCI-forskerne forklarer, hvordan de brugte et væld af information indlejret i mikrobielle gener - specifikt fra arten af ​​fytoplankton Prochlorococcus - som en biosensor for havets sundhed og produktivitet. Oceanografer, der arbejder inden for dette felt, er meget interesserede i at forstå, hvordan disse organismer tilpasser sig "næringsstress, "som er kampen for at finde eller bruge de essentielle stoffer, de har brug for for at vokse og formere sig.

"Fytoplankton er grundlaget for det marine fødenet, og de er ansvarlige for så meget som halvdelen af ​​den globale kuldioxidbinding på en løbende basis, så sundheden og distributionen af ​​disse organismer er meget vigtig, " sagde senior medforfatter Adam Martiny, UCI professor i jordsystemvidenskab. "Den viden, der er opnået på disse rejser, vil hjælpe klimatologer med at lave mere fornuftige forudsigelser om fytoplanktons rolle i reguleringen af ​​kulstoflagrene i atmosfæren og havet."

Da mikrobielt fytoplankton lever i store populationer og har hurtige livscyklusser, forskerne foreslår, at ændringer i samfundets sammensætning og genomiske indhold kan give en tidlig advarsel om miljøtransformationer og gøre det langt hurtigere end ved blot at analysere havets fysik og kemi.

"Nitrogen, fosfor- og jernbegrænsning i mange havområder på overfladen er næsten umulig at påvise gennem kemisk analyse af vandprøver; mængden af ​​disse elementer er bare for lav, " sagde hovedforfatter Lucas Ustick, en UCI kandidatstuderende i økologi &evolutionær biologi. "Men kvantificering af skift i Prochlorococcus gener involveret i optagelsen af ​​vigtige næringsstoffer, og kombinationer heraf, giver en stærk indikator for geografien af ​​næringsstress."

Forfatterne påpegede, at alle Prochlorococcus-genomer inkluderer et bestemt gen, der gør det muligt for fytoplankton direkte at assimilere det uorganiske fosfat, der er frit tilgængeligt i havvand. Men når denne forbindelse er en mangelvare, fytoplankton tilpasser sig ved at få et gen, der gør det muligt for cellerne at optage opløst organisk fosfor, som kan påvises i deres genom.

Forskerne studerede også adskillige andre eksempler på genetiske tilpasninger til forskellige niveauer af fosfor, jern og nitrogen i miljøet for at se, hvilke slags afvejninger planteplanktonet løbende laver. Det resulterede i et globalt kort over næringsstress. Forskerne var også i stand til at identificere regioner, hvor fytoplankton oplever co-stress, der involverer to eller flere elementer, en af ​​dem er næsten altid nitrogen.

Holdets arbejde afslørede Nordatlanten, Middelhavet og Rødehavet er områder med forhøjet fosforstress. Genotyper tilpasset nitrogenstress er udbredt i såkaldte oligotrofe regioner, hvor næringsstofferne er lave og ilten høj, og forskningsresultater tyder på udbredt tilpasning til jernstress.

Analyse af fytoplanktongenotyper bekræftede kendte biogeografiske mønstre for næringsstofstress vurderet ved forskellige teknikker, men det afslørede også hidtil ukendte områder med næringsstress og co-stress. Forskerne havde en ringe forståelse af næringsstofstress i Det Indiske Ocean forud for deres metagenomiske analyse, men deres arbejde var med til at udfylde mange tomrum. De ved nu, at det Arabiske Havs opstrømningsregion er et område med en vis jernstress, og de opdagede fosforstress forbundet med sydstrømmende havstrømme, blandt mange andre fund.

Stadig, de siger, der er altid mere at lære.

"Vores arbejde fremhæver huller i vores målinger af miljøer på høje breddegrader, i det meste af Stillehavet, og i økosystemer på dybere vand, " sagde co-first forfatter Alyse Larkin, UCI postdoc-stipendiat i jordsystemvidenskab. "De fremskridt, vi gjorde på vores seneste ekspeditioner, inspirerer os til at tage ud og dække hele planeten."