Estudio utiliza genomas del plancton como biosensores del estrés del ecosistema oceánico

Al analizar las ganancias y pérdidas en los genes de las muestras de fitoplancton recolectadas en las principales regiones oceánicas, investigadores de la Universidad de California han creado el mapa más matizado y de alta resolución que mostraría dónde estos organismos fotosintéticos prosperan o se ven obligados a adaptarse.

Como parte de la nueva iniciativa de bio-nave, los científicos de la UCI hicieron ocho despliegues en seis embarcaciones de investigación diferentes, pasar 228 días en el mar en el Atlántico, el Pacífico e Océanos Índices. Generaron casi 1,000 metagenomes oceánicos de 930 ubicaciones en todo el mundo, con una distancia promedio entre los puntos de recolección a 26.5 kilómetros (aproximadamente 16.5 millas).

En un estudio publicado ayer en la revista Science, los investigadores de la UCI explican cómo utilizaron una gran cantidad de información incrustada en genes microbianos, específicamente de la especie de Phytoplankton Prochlorococcus, como biosensor de salud oceánica y productividad. Los oceanógrafos que trabajan en este campo están interesados ​​en entender cómo estos organismos se adaptan a “estrés nutritivo”, que es la lucha para encontrar o usar las sustancias esenciales que necesitan para crecer y reproducirse.

“Los fitoplancton son fundamentales para la web de alimentos marinos, y son responsables de la mitad de la fijación global de dióxido de carbono de manera continua, por lo que la salud y la distribución de estos organismos son muy importantes”, dijo el coautor de la Senior Adam Martininy, Profesor de la UCI de la ciencia del sistema de la tierra. “El conocimiento adquirido en estos viajes ayudará a los climatólogos a obtener predicciones más sólidas sobre el papel del fitoplancton en la regulación de las existencias de carbono en la atmósfera y el océano”.

Dado que el fitoplancton microbiano vive en grandes poblaciones y tiene ciclos de vida rápida, los investigadores sugieren que los cambios en la composición comunitaria y el contenido genómico pueden proporcionar una advertencia temprana sobre las transformaciones ambientales y hacerlo mucho más rápido que al analizar simplemente al análisis de la física y química del océano.

“El nitrógeno, el fósforo y la limitación de hierro en muchas regiones de la superficie del océano es casi imposible de detectar a través del análisis químico de las muestras de agua; Las cantidades de estos elementos son demasiado bajas”, dijo el autor principal Lucas Ustick, un estudiante graduado de la UCI en ecología y biología evolutiva. . “Pero cuantificar los cambios en los genes de PROCHLOROCOCCUS involucrados en la captación de los principales nutrientes, y las combinaciones de los mismos, proporcionan un fuerte indicador de la geografía del estrés nutritivo”.

Los autores señalaron que todos los genomas de proclorococo incluyen un cierto gen que permite que el fitoplancton asimilice directamente al fosfato inorgánico disponible libremente en el agua de mar. Pero cuando este compuesto está en breve suministro, el fitoplancton se adapta ganando un gen que permite a las células asumir fósforo orgánico disuelto, que se puede detectar en su genoma.

Los investigadores también estudiaron numerosos otros ejemplos de adaptaciones genéticas para diferentes niveles de fósforo, hierro y nitrógeno en el medio ambiente para ver qué tipo de compensaciones el fitoplancton está haciendo continuamente. Lo que resultó es un mapa global de estrés nutritivo. Los investigadores también pudieron identificar regiones donde el fitoplancton experimenta co-estrés relacionado con dos o más elementos, uno de ellos casi siempre siendo nitrógeno.

El trabajo del equipo reveló el Océano Atlántico Norte, el mar Mediterráneo y el Mar Rojo para ser regiones de estrés de fósforo elevado. Los genotipos adaptados a la tensión de nitrógeno están muy extendidos en las llamadas regiones oligotróficas donde los nutrientes son bajos y el oxígeno es alto, y los resultados de muestreo de investigación sugieren una adaptación generalizada al estrés de hierro.

El análisis de los genotipos de fitoplancton confirmó los patrones biogeográficos conocidos del estrés nutritivo estimado por diferentes técnicas, pero también reveló regiones previamente desconocidas de estrés de nutrientes y co-estrés. Los investigadores tenían una escasa comprensión de la tensión de nutrientes en el Océano Índico antes de su análisis metagenómico, pero su trabajo ayudó a llenar muchos espacios en blanco. Ahora saben que la región de surgimiento del mar árabe es un área de un poco de estrés de hierro, y detectaron la tensión del fósforo asociada con las corrientes oceánicas del sur que fluye, entre muchos otros hallazgos.