Исследование использует геномы планктона в качестве глобальных биосенсоров стресса океанических экосистем

Ученые из Калифорнийского университета в Ирвайне, анализируя потери и приобретения генов в образцах фитопланктона из всех основных океанических регионов, создали самую детальную и высокоразрешающую карту, показывающую, где эти фотосинтезирующие организмы процветают или вынуждены адаптироваться к ограниченному количеству ключевых питательных веществ: азота, фосфора и железа. В рамках инициативы Bio-GO-SHIP исследователи совершили восемь экспедиций на шести разных судах, проведя 228 дней в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах и собрав почти 1000 океанических метагеномов из 930 точек по всему миру.

Как объясняется в исследовании, опубликованном в Science, ученые использовали богатую информацию, заложенную в генах микробов — в частности, вида фитопланктона Prochlorococcus — в качестве биосенсора здоровья и продуктивности океана. Понимание того, как эти организмы адаптируются к «стрессу питательных веществ» (борьбе за доступ к элементам, необходимым для роста и размножения), имеет ключевое значение. Фитопланктон является основой морской пищевой сети и отвечает за фиксацию до половины глобального углекислого газа, поэтому его здоровье и распределение чрезвычайно важны для климатических моделей.

Поскольку микробный фитопланктон существует в больших популяциях с быстрыми жизненными циклами, изменения в составе сообществ и геномном содержании могут служить системой раннего предупреждения об экологических трансформациях, реагируя гораздо быстрее, чем анализ физики и химии океана. Например, все геномы Prochlorococcus содержат ген для усвоения неорганического фосфата, но при его нехватке у фитопланктона появляется ген для поглощения растворенного органического фосфора, что можно детектировать.

Исследование позволило составить глобальную карту стресса питательных веществ. Были выявлены регионы с повышенным фосфорным стрессом (Северная Атлантика, Средиземное и Красное моря), широкое распространение адаптации к азотному стрессу в олиготрофных водах и к железному стрессу. Анализ также подтвердил известные биогеографические паттерны и выявил ранее неизвестные регионы стресса и со-стресса (одновременного дефицита двух и более элементов, часто включая азот), особенно в слабо изученном Индийском океане, например, в районе Аравийского моря.