基于基因组学方法的北冰洋生物地层学新探

《Marine Micropaleontology》：Testing a novel genomic-based approach for Arctic Ocean biostratigraphy

　　

古沉积DNA（sedaDNA）分析的最新进展使得在海洋沉积物中对非化石保存类群进行基于基因组的识别成为可能。研究人员探讨了sedaDNA能否作为一种基于基因组的生物地层学工具，通过追踪赫氏颗石藻（Gephyrocapsa huxleyi，目前唯一具有公开参考基因组的颗石藻物种）在北冰洋中部沉积物中的出现情况。研究人员对三个沉积岩芯进行了高分辨率采样，获得了87个跨越关键岩性地层的样品。通过鸟枪法测序（shotgun sequencing）获取sedaDNA后，利用三种独立的生物信息学工具Kraken2、BWA和BLAST评估赫氏颗石藻的存在。这些结果与岩性数据和赫氏颗石藻（Gephyrocapsa）颗石藻组合相结合，以评估古基因组学作为北冰洋生物地层学工具的潜力，该方法有望克服传统颗石藻方法的局限性。尽管sedaDNA与颗石藻结果大致重叠，但关键差异和方法学局限使研究人员无法对所研究序列中赫氏颗石藻的首次出现做出确证。研究人员讨论了sedaDNA作为改进北冰洋海洋沉积物年龄控制的辅助生物地层学工具的潜力与挑战。

## 研究背景与问题

北极变暖正在加速，预计将导致北极洋内部夏季无冰、冬季海冰更薄且更具流动性，这些变化将对北极海洋学及其海洋生态系统产生深远影响，并最终从区域到全球尺度影响气候。为更好地理解未来变化，需要研究北极对过去气候变化的响应。北极海洋沉积物提供了记录这些响应的各类代用指标，但更新世冰期-间冰期旋回中这些记录的准确解释仍受北极海洋沉积物精确测年持续挑战的阻碍。

生物地层学一直是约束第四纪北冰洋沉积物年龄的基础工具，其中钙质颗石藻生物地层学尤为关键。2000年代初的研究通过在罗蒙诺索夫海岭（Lomonosov Ridge）回收的沉积岩芯中识别出颗石藻赫氏颗石藻（现分类为Gephyrocapsa huxleyi，此前为Emiliania huxleyi），改变了北极年龄模型解释。尽管赫氏颗石藻 globally 约于29万年前（ka）在海洋氧同位素阶段（MIS）8期（300–243 ka）演化出现，但生物地层学研究表明，它直到末次间冰期（MIS 5，130–71 ka）才在挪威-格陵兰海大量出现或在北冰洋出现。因此，其在北极中心的首次出现被用于识别MIS 5期。然而，由于不利的埋藏学条件，北冰洋沉积物中的颗石藻矿物残留可能保存不佳或完全缺失，其低丰度和可变保存导致关于赫氏颗石藻在北冰洋中心沉积物中首次出现的地层级别存在分歧。

## 研究方法

样本来源于2016年北极洋（AO16）考察期间在破冰船Oden上回收的洛莫诺索夫海岭三个沉积岩芯AO16-5TWC、AO16-12TWC和AO16-5PC，共87个样品跨越关键岩性边界。DNA提取与文库构建在斯德哥尔摩大学古遗传学中心超洁净古DNA设施完成，采用基于DNeasy PowerLyzer PowerSoil试剂盒的改良方案。双索引平末端Illumina文库按Meyer和Kircher（2010）方案构建，在Illumina NovaSeqXPlus平台进行鸟枪法测序（151 nt Read1–17 nt Index1–10 nt Index2–151 nt Read2配置）。

生物信息学分析采用三步策略：首先使用k-mer分类工具Kraken2和基于比对工具Burrows-Wheeler Aligner（BWA）进行初步鉴定，随后通过BLASTn进行二级验证。Kraken2针对NCBI核心nt数据库（2024年12月28日版本）进行分类；BWA将序列比对至包括赫氏颗石藻CCMP1516参考基因组在内的八个Haptophyta门核基因组的串联参考序列。最后，仅保留BLAST比对顶级命中为赫氏颗石藻的序列。

## 研究结果

### 岩性描述与岩芯对比

基于体密度和XRF衍生的Zr/Rb比值（指示粒度变化的 proxies，高值指示较粗沉积、低值指示较细沉积），三个岩芯可进行可靠对比。识别出五个沉积单元（A至E）：Unit A为细粒砂质粉砂和粉砂质黏土，<50 ka；Unit B和D为两个 prominent 混杂堆积层（Diamict 1和Diamict 2）；Unit C位于两混杂堆积之间，以细粒沉积为主夹粗粒层；Unit E仅见于AO16-5PC底部，由深褐色生物扰动粉砂质黏土与黄褐色较粗层交替组成。

### 赫氏颗石藻颗石藻组合

钙质颗石藻保存中等至差，丰度持续偏低，呈不连续脉冲式出现，主要集中于细粒、低体密度深色层段。AO16-5TWC中未见赫氏颗石藻，而AO16-12TWC中仅于Unit A见 rare 出现。其他赫氏颗石藻物种（如G. caribbeanica、G. muellerae和小型赫氏颗石藻）在两岩芯中均有发现。

### 基于sedaDNA的赫氏颗石藻鉴定

AO16-5TWC获得144,666,999条预处理读段，AO16-12TWC获得233,301,345条，AO16-5PC获得995,394条。Kraken2分别鉴定出1,065、1,788和121条赫氏颗石藻读段；BWA分别鉴定出155、313和18条。经BLAST验证后，AO16-5TWC仅余8条Kraken2和2条BWA读段；AO16-12TWC余30条Kraken2和4条BWA读段；AO16-5PC仅1条BWA读段。两个工具在同一具体读段上重叠有限，但在AO16-12TWC的12、16和118 cmbsf处存在共同检测的高置信度读段（序列一致性98–100%）。

## 研究讨论

### 通过颗石藻与sedaDNA追踪赫氏颗石藻

Kraken2与BWA的交叉验证提高了稀有类群检测的可信度。Kraken2更为宽松，BWA更为保守，BLAST验证后大多数初始鉴定被滤除，表明两种工具均存在假阳性。重要的是，两种工具在 broadly 对应的地层区间内独立产生BLAST验证的赫氏颗石藻读段。

赫氏颗石藻颗石藻仅在AO16-12TWC的12、16和20 cmbsf三个样品中检出，均含BLAST验证sedaDNA读段。但验证读段也在更深样品中检测到，主要位于细粒、生物扰动、低体密度、低Zr/Rb和高Mn/Ti比值的间冰期/间段沉积中，反映较暖气候期至少周期性开阔水域有利于颗石藻繁盛。尽管Diamict 1在两个岩芯中均无颗石藻，但本研究检测到少量BLAST验证读段，与LRG12-3PC岩芯中Diamict 1细粒层中发现赫氏颗石藻颗石藻一致。

两个工具共同检测到的最可靠信号位于AO16-12TWC的12、16和118 cmbsf，其中118 cmbsf处最深读段位于Diamict 1下方Unit C中，与Razmjooei等（2023）报道的AO16-5PC中赫氏颗石藻首次出现层位相当。然而，在AO16-5PC的Unit E中Diamict 2下方也检测到验证读段，超出Razmjooei等（2023）修订生物地层学的范围，但与O'Regan等（2020）提出的LRG12-3PC岩芯中MIS 7年龄首次出现一致。鉴于方法学限制，该深部读段可能代表赫氏颗石藻属其他物种。

### sedaDNA与钙质颗石藻的保存差异

钙质颗石藻保存受孔隙水和上覆水体碳酸钙饱和度控制，受温度、压力、盐度和pH影响；sedaDNA保存则主要受微生物活动、氧化还原电位、盐度、温度、矿物组成和有机质含量控制。黏土和有机质丰富层段可能通过DNA分子向带电颗粒和矿物表面吸附而增强sedaDNA保存，同时高有机质含量促进微生物呼吸导致孔隙水酸化，增强碳酸盐溶解。这种潜在的反相关关系表明，sedaDNA保存良好层段不一定对应颗石藻保存良好层段，反之亦然。

### sedaDNA用于生物地层学的方法学考量

sedaDNA的分类学分辨率受短片段化DNA限制，常只能鉴定至属级或更高阶元。赫氏颗石藻的大而可变的泛基因组（pan-genome）使参考基因组覆盖不全，导致假阴性（读段未能比对）和假阳性（其他物种序列被误分类为赫氏颗石藻）。公共数据库中单细胞真核生物代表性不足，赫氏颗石藻CCMP1516参考基因组以外无其他赫氏颗石藻物种核基因组可用于BWA比对，阻碍了与近缘种如G. caribbeanica和G. muellerae的区分。

本研究约10–1500万读段的测序深度对于检测稀有类群仍属挑战。真核DNA通常仅占海洋沉积物总DNA的1–5%，其中稀有类群如赫氏颗石藻占比更小。尽管本研究在最低读段数样品中仍检测到BLAST验证读段，但每个样品最多仅8条验证读段的极低数量使古DNA损伤模式鉴定和污染排除困难（通常需要50–250条读段）。

## 研究结论

本研究首次整合sedaDNA与颗石藻方法追踪第四纪北极海洋沉积物中赫氏颗石藻的出现。sedaDNA具有补充北极海洋生物地层学的潜力，特别是在颗石藻保存不佳或缺失的高纬度海洋环境中改善生物地层年龄估计。然而，准确分类鉴定因sedaDNA固有短片段、不完整参考数据库和低丰度数据认证困难而仍具挑战性。鉴于这些方法学限制，本研究不尝试对赫氏颗石藻首次出现得出结论，而是为精炼北
北冰洋生物地层学的novel基因组学方法奠定基础。未来需增加测序深度、采用鸟枪法与靶向方法（如代谢条形码或杂交捕获）的混合策略，以及改进物种和种群水平的参考数据库，特别是北极海洋原生生物，方能释放sedaDNA用于生物地层学的全部潜力。