Genom att analysera vinster och förluster i generna från växtplanktonprover som samlats in i alla större havsregioner, forskare vid University of California, Irvine har skapat den mest nyanserade och högupplösta kartan hittills för att visa var dessa fotosyntetiska organismer antingen trivs eller tvingas anpassa sig till begränsade mängder viktiga näringsämnen, kväve, fosfor och järn.

Som en del av det nya Bio-GO-SHIP-initiativet, UCI-forskarna gjorde åtta utplaceringar på sex olika forskningsfartyg, tillbringade 228 dagar till havs i Atlanten, Stilla havet och Indiska oceanen. De genererade nästan 1, 000 havsmetagenomer från 930 platser runt om i världen, med ett genomsnittligt avstånd mellan insamlingsställena på 26,5 kilometer (cirka 16,5 miles).

I en studie publicerad idag i Vetenskap , UCI-forskarna förklarar hur de använde en mängd information inbäddad i mikrobiella gener – specifikt från arten av växtplankton Prochlorococcus – som en biosensor för havets hälsa och produktivitet. Oceanografer som arbetar inom detta område är mycket intresserade av att förstå hur dessa organismer anpassar sig till "näringstress, " vilket är kampen för att hitta eller använda de väsentliga ämnen de behöver för att växa och fortplanta sig.

"Fytoplankton är grunden för det marina näringsnätet, och de är ansvariga för så mycket som hälften av den globala koldioxidfixeringen på en kontinuerlig basis, så hälsan och distributionen av dessa organismer är mycket viktig, " sa senior medförfattare Adam Martiny, UCI professor i jordsystemvetenskap. "Kunskapen som erhållits på dessa resor kommer att hjälpa klimatologer att göra mer sunda förutsägelser om växtplanktons roll för att reglera kolförråden i atmosfären och havet."

Eftersom mikrobiellt växtplankton lever i stora populationer och har snabba livscykler, forskarna föreslår att förändringar i samhällets sammansättning och genomiskt innehåll kan ge en tidig varning om miljöomvandlingar och gör det mycket snabbare än genom att bara analysera havets fysik och kemi.

"Kväve, fosfor- och järnbegränsningar i många havsområden på ytan är nästan omöjliga att upptäcka genom kemisk analys av vattenprover; mängden av dessa grundämnen är alldeles för låg, " sa huvudförfattaren Lucas Ustick, en UCI doktorand i ekologi och evolutionsbiologi. "Men att kvantifiera förändringar i Prochlorococcus-gener involverade i upptaget av viktiga näringsämnen, och kombinationer därav, ger en stark indikator på geografin för näringsstress."

Författarna påpekade att alla Prochlorococcus-genom inkluderar en viss gen som gör att växtplankton direkt kan assimilera det oorganiska fosfatet som är fritt tillgängligt i havsvatten. Men när denna förening är en bristvara, växtplankton anpassar sig genom att få en gen som gör att cellerna kan ta upp löst organisk fosfor, som kan detekteras i deras genom.

Forskarna studerade också många andra exempel på genetiska anpassningar för olika nivåer av fosfor, järn och kväve i miljön för att se vilka slags avvägningar växtplanktonet kontinuerligt gör. Det som resulterade är en global karta över näringsstress. Forskarna kunde också identifiera regioner där växtplankton upplever samtidig stress som involverar två eller flera element, en av dem är nästan alltid kväve.

Teamets arbete avslöjade Nordatlanten, Medelhavet och Röda havet är regioner med förhöjd fosforstress. Genotyper anpassade till kvävestress är utbredda i så kallade oligotrofa regioner där näringsämnen är låga och syre hög, och forskningsprovresultat tyder på utbredd anpassning till järnstress.

Analys av växtplanktongenotyper bekräftade kända biogeografiska mönster av näringsstress uppskattade med olika tekniker, men det avslöjade också tidigare okända regioner av näringsstress och medstress. Forskarna hade en knapp förståelse för näringsstress i Indiska oceanen innan deras metagenomiska analys, men deras arbete hjälpte till att fylla i många tomrum. De vet nu att Arabiska havets uppströmningsregion är ett område med viss järnstress, och de upptäckte fosforstress associerad med sydströmmande havsströmmar, bland många andra fynd.

Fortfarande, de säger, det finns alltid mer att lära.

"Vårt arbete belyser luckor i våra mätningar av miljöer på hög latitud, i större delen av Stilla havet, och i ekosystem på djupare vatten, " sa medförfattaren Alyse Larkin, UCI postdoktor i jordsystemvetenskap. "De framsteg vi gjort på våra senaste expeditioner inspirerar oss att ge oss ut och täcka hela planeten."