Door winsten en verliezen te analyseren in de genen van fytoplanktonmonsters verzameld in alle grote oceaangebieden, onderzoekers van de Universiteit van Californië, Irvine heeft de meest genuanceerde kaart met hoge resolutie tot nu toe gemaakt om te laten zien waar deze fotosynthetische organismen gedijen of gedwongen worden zich aan te passen aan beperkte hoeveelheden belangrijke voedingsstoffen, stikstof, fosfor en ijzer.

Als onderdeel van het nieuwe Bio-GO-SHIP-initiatief, de UCI-wetenschappers maakten acht implementaties op zes verschillende onderzoeksschepen, 228 dagen op zee in de Atlantische Oceaan doorbrengen, Stille en Indische Oceaan. Ze genereerden bijna 1, 000 oceaanmetanomen van 930 locaties over de hele wereld, met een gemiddelde afstand tussen ophaalpunten op 26,5 kilometer (ongeveer 16,5 mijl).

In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Wetenschap , de UCI-onderzoekers leggen uit hoe ze een schat aan informatie hebben gebruikt die is ingebed in microbiële genen - met name van de soort fytoplankton Prochlorococcus - als een biosensor voor de gezondheid en productiviteit van de oceaan. Oceanografen die op dit gebied werkzaam zijn, zijn zeer geïnteresseerd in het begrijpen hoe deze organismen zich aanpassen aan "voedingsstress, " wat de strijd is om de essentiële stoffen te vinden of te gebruiken die ze nodig hebben om te groeien en zich voort te planten.

"Fytoplankton is de basis van het mariene voedselweb, en ze zijn verantwoordelijk voor maar liefst de helft van de wereldwijde koolstofdioxidefixatie op permanente basis, dus de gezondheid en verspreiding van deze organismen is erg belangrijk, " zei senior co-auteur Adam Martiny, UCI-hoogleraar Aardsysteemwetenschap. "De kennis die tijdens deze reizen is opgedaan, zal klimatologen helpen betere voorspellingen te doen over de rol van fytoplankton bij het reguleren van koolstofvoorraden in de atmosfeer en de oceaan."

Aangezien microbieel fytoplankton in grote populaties leeft en een snelle levenscyclus heeft, de onderzoekers suggereren dat veranderingen in de samenstelling van de gemeenschap en de genomische inhoud een vroege waarschuwing kunnen geven over veranderingen in het milieu en dit veel sneller doen dan door alleen de natuur- en scheikunde van de oceaan te analyseren.

"Stikstof, fosfor- en ijzerbeperking in veel oceaangebieden aan de oppervlakte is bijna onmogelijk te detecteren door middel van chemische analyse van watermonsters; de hoeveelheden van deze elementen zijn gewoon te laag, " zei hoofdauteur Lucas Ustick, een UCI-afgestudeerde student in ecologie en evolutionaire biologie. "Maar het kwantificeren van verschuivingen in Prochlorococcus-genen die betrokken zijn bij de opname van belangrijke voedingsstoffen, en combinaties daarvan, geeft een sterke indicator van de geografie van nutriëntenstress."

De auteurs wezen erop dat alle Prochlorococcus-genomen een bepaald gen bevatten waarmee fytoplankton het anorganische fosfaat dat vrij beschikbaar is in zeewater direct kan assimileren. Maar wanneer deze verbinding schaars is, fytoplankton past zich aan door een gen te verkrijgen dat de cellen in staat stelt opgeloste organische fosfor op te nemen, die in hun genoom kunnen worden gedetecteerd.

De onderzoekers bestudeerden ook tal van andere voorbeelden van genetische aanpassingen voor verschillende niveaus van fosfor, ijzer en stikstof in het milieu om te zien wat voor soort compromissen het fytoplankton voortdurend maakt. Het resultaat is een globale kaart van nutriëntenstress. De onderzoekers waren ook in staat om regio's te identificeren waar fytoplankton co-stress ervaart met twee of meer elementen, een van hen is bijna altijd stikstof.

Het werk van het team onthulde de Noord-Atlantische Oceaan, Middellandse Zee en Rode Zee als regio's met verhoogde fosforstress. Genotypen die zijn aangepast aan stikstofstress zijn wijdverbreid in zogenaamde oligotrofe gebieden waar voedingsstoffen laag zijn en zuurstof hoog, en onderzoeksresultaten suggereren een wijdverbreide aanpassing aan ijzerstress.

Analyse van fytoplankton-genotypen bevestigde bekende biogeografische patronen van nutriëntenstress geschat met verschillende technieken, maar het onthulde ook voorheen onbekende gebieden van nutriëntenstress en co-stress. De onderzoekers hadden voorafgaand aan hun metagenomische analyse weinig begrip van nutriëntenstress in de Indische Oceaan. maar hun werk hielp om veel lege plekken op te vullen. Ze weten nu dat het opwellende gebied van de Arabische Zee een gebied is met wat ijzerstress, en ze ontdekten fosforstress geassocieerd met naar het zuiden stromende oceaanstromingen, tussen vele andere bevindingen.

Nog altijd, ze zeggen, er is altijd meer te leren.

"Ons werk wijst op hiaten in onze metingen van omgevingen op hoge breedtegraden, in het grootste deel van de Stille Oceaan, en in diepere waterecosystemen, " zei mede-eerste auteur Alyse Larkin, UCI postdoctoraal wetenschapper in aardsysteemwetenschap. "De vooruitgang die we hebben geboekt tijdens onze recente expedities inspireert ons om eropuit te trekken en de hele planeet te bestrijken."