利用DNA检测对海洋微生物进行全面区域诊断

科学家们使用了与家谱研究类似的遗传学研究工具来评估加利福尼亚海岸附近海洋生物的多样性。大规模的“代谢物编码”方法可以彻底改变社会对推动海鲜供应的力量的理解，即地球消除温室气体的能力。

　　

这是一项突破性的技术，研究人员将能够使用它来诊断海洋食物网底部的条件，这些条件会影响重要商业鱼类的丰度或产生有害的藻华。从“元条形码”收集的信息中，科学家还可以使用所谓的环境DNA (eDNA)来评估海洋保护地球免受气候变化影响的有效性。

研究小组将研究结果发表在5月4日的《自然通讯》杂志上。这项工作由美国国家科学基金会(通过加州当前生态系统长期生态研究项目)、美国国家海洋和大气管理局以及戈登和贝蒂·摩尔基金会资助。

“这是未来的生态采样方法，”该研究的第一作者、斯克里普斯海洋学研究生、JCVI研究员蔡斯·詹姆斯(Chase James)说。“这项研究代表了这种方法在长期生态取样背景下的首次部署。当所有这些隐藏的多样性最终被展示出来时，它揭示了你所能看到的。”

这种评估海洋微生物群落的新方法——生活在特定栖息地的微生物植物、动物和其他生物的集合——极大地提高了科学家对海洋进行诊断的能力。在这项研究中，研究人员能够利用遗传信息来确定控制加利福尼亚海岸附近海洋表层海水中生物数量及其分布的最重要因素。他们发现，营养供应对加州洋流中微生物的影响比温度更大。这是用传统方法无法得出的结论。

詹姆斯将这一过程比作扫描杂货店中所有产品的条形码以获得它们的库存。詹姆斯的顾问安德鲁·艾伦于2014年启动了这项名为NOAA CalCOFI海洋基因组学项目(NCOG)的工作，从标志性的CalCOFI调查巡航期间收集的水样开始，这是一个自1949年以来斯克里普斯共同管理的季度项目。用两升瓶收集的样本经过过滤，然后冷冻后带回实验室。然后，科学家们对这些样本中发现的所有DNA进行了分析，就像商业DNA测试公司识别人们的基因图谱，识别样本中的所有微生物一样。他们还估计了样本中所有已鉴定物种的样本数量。

这种方法是对传统技术的改进，如光学显微镜，捕捉常见的哨兵物种在海水中或体积指标测量，如水中的叶绿素含量。与元条形码相比，这些方法只是提供了生命生活在哪里的大致信息。元条形码可以更精确地识别物种，并通过同样的努力获得更多的数据。

CalCOFI成立于第二次世界大战后，旨在帮助官员和捕鱼业了解导致西海岸沙丁鱼数量突然减少的原因。该项目每季度在海岸附近的一系列站点进行巡航。在那里，科学家们重复一系列物理和生物地球化学测量来揭示生态条件。从这些调查中，科学家们收集到了世界上无与伦比的海洋环境历史。

“有趣的是，70年前，CalCOFI甚至无法想象，你可以对两升海水进行采样，并获得海洋微生物群落的全面数据。”詹姆斯说，“但这项研究未来的一个主要目标是实现CalCOFI设定的最初目标，即了解驱动我们区域渔业成功和失败的过程。这项前沿研究可能会被用来回答70年前的问题。”

研究的共同作者包括丽莎·齐格勒·艾伦、罗伯特·兰普、阿里尔·拉宾斯、安妮·舒尔伯格和安德鲁·艾伦，他们在斯克里普斯海洋学和JCVI获得联合任命;安德鲁·巴顿，斯克里普斯海洋学和加州大学圣地亚哥分校生物科学系联合任命;JCVI的郑红;斯克里普斯海洋学的拉尔夫·格里克;以及美国国家海洋和大气管理局大西洋海洋与气象实验室和西南渔业科学中心的凯利·古德温。

Journal Reference:

1. Chase C. James, Andrew D. Barton, Lisa Zeigler Allen, Robert H. Lampe, Ariel Rabines, Anne Schulberg, Hong Zheng, Ralf Goericke, Kelly D. Goodwin, Andrew E. Allen. Influence of nutrient supply on plankton microbiome biodiversity and distribution in a coastal upwelling region. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-30139-4