航行七海的史诗浮游生物研究

简介

1995年，Eric Karsenti博士在德国海德堡的欧洲分子生物学实验室(EMBL)领导一个细胞生物学团队。在进行细胞周期研究时，他决定阅读查尔斯·达尔文关于他在HMS上进行全球考察的记录小猎犬号．在5年的旅程中，达尔文大部分时间都在陆地上，观察动植物，这些观察后来为他的进化论提供了依据。读完这本书后，卡尔森蒂博士开始思考类似的海洋生物多样性地图考察的好处。2009年，这个想法变成了现实，110英尺塔拉研究船启航了。在四年的旅程中，研究人员对来自全球各地的35000个盐水样本进行了采样、分析和测序，以进行广泛的浮游生物研究。

“虽然很小，但这些生物是地球生命维持系统的重要组成部分，它们提供了地球上每年光合作用产生的氧气的一半，处于所有其他海洋生物所依赖的海洋食物链的底部，”卡尔森蒂说。然而，只有一小部分浮游生物在实验室中培养出来。直到最近，人们对海洋生态系统的组织、演化和动态还知之甚少。

的塔拉海洋探险队联合了来自不同学科的200多名科学家，结合生态学、海洋学、细胞生物学、遗传学和系统生物学，研究浮游生物，以提高对它们与环境相互作用的理解。除了高通量显微镜成像和流式细胞仪外，还进行了下一代测序(NGS)研究，以揭示不可培养的浮游生物的存在，并评估群落多样性和动态。

为了更yobet亚洲亚博官网人口多地了解这次探险、测序数据和发现，iccommunity采访了该项目的三位核心人物。Karsenti博士是2015年国家中心Recherché科学金奖的组织者和获得者。克里斯·鲍勒，博士，是科学协调员塔拉海洋考察队成员，高等师范学院生物研究所(IBENS)环境与进化基因组学部门负责人。Patrick Wincker，博士，Genoscope测序技术和真核生物基因组学项目总监。

问:为什么塔拉进行了海洋探险，它多快就完成了?

埃里克·卡森提(EK):早在1995年，我就开始考虑进行一次科学的海洋航行。我觉得表演一个会很有趣HMS小猎犬号比如考察浮游生物多样性并评估它们在海洋生态系统中的动态作用。我还意识到，航海的浪漫主义会吸引人们的注意力，给我们一个借口，向非科学的观众传达探险的科学。直到2000年，当我决定学习如何组织这种类型的探险时，我才再次考虑了这个问题。yobet亚洲我与克里斯蒂安·萨特(Christian Sardet)和加比·戈斯基(Gaby Gorsky)在Observatoire Océanologique de Villefranche进行了交谈，他们立即意识到了这种价值。我联系了Romain Troublé，他是塔拉那就是我们决定组建探险队的时候。

问:这次探险的目的是什么?

艾德。基莉:这次探险的想法是首先对海洋生物的状态进行评估。从收集样本开始。我们的目标是在阳光照射的光带上部(660英尺/200米)取样海洋浮游生物。我们还采集了比海洋过渡带(> 6000英尺/2000米)更深的样本。在四年的探险中塔拉航行9万英里(14万公里)，从不同深度的200多个地点收集样本。

“我们意识到，我们测序的社区的复杂性非常高，我们需要一个更高的通量系统来获得生物学见解。最终，我们在这个项目中使用了6套HiSeq系统。”

问:Drs。鲍勒和温克尔，你们什么时候加入这个项目的?

克里斯·鲍勒(下):当我通过小道消息听到这个项目时，我和埃里克取得了联系。我的实验室研究硅藻，这种生物是海洋和淡水生态系统中浮游生物群落的重要基础。硅藻是一种具有光合作用的单细胞真核生物，在产生氧气和从大气中去除二氧化碳方面被认为与热带雨林一样重要。然而，我们对它们知之甚少。在过去的20年里，我们的硅藻研究都是在实验室进行的。的塔拉“海洋探险”提供了一个独特的机会，可以从开阔的海洋和沿海地区获取样本，以验证我们在实验室中提出的假设。我们对这个项目感到兴奋，并邀请了其他一些人加入，慢慢地建立了完整的团队。

帕特里克·温克尔(PW):2008年，当项目背后的科学联盟正在组建时，Genoscope参与了进来。一位早期的参与者推荐了我们，我们很想加入。我们提出对样本进行测序和数据分析。

问:你是如何决定在哪里取样的?你用什么方法来跟踪他们?

PW:我们与该联盟的其他成员合作，确定了一份最能代表不同海洋条件的采样地点清单，并对其进行了优先排序。我们想要捕捉到全球各地海洋的多样性。

艾德。基莉:我们在210个采样站中的每一个都花了大约60个小时，或大约12600个小时收集样本。我们对500-600米深的生物标本进行了采样。为了描述水柱的特征，我们使用了物理化学仪器，并定期在1000米深处取样。我们开发了一个复杂的物流系统，其中每个样品都被编码，在日志表上逐项记录，并与日期、时间、环境位置和其他数据相关联。

CB:你可以想象标记过程的复杂性，在相同的采样站和相同的深度采集几个样本，但用于不同的分析。我们的样本经过了病毒、细菌或更大的生物体的分离和富集，每一种都进入了测序管道。每个条形码都能让我们一直跟踪样本进入实验室。通过生物信息学，我们将所有的数据整合成一致的东西。这是一个复杂的后勤程序来解决所有这些问题。多亏了一个敬业的团队，我们才做得很好。

“我们的样本被分离并富集在病毒、细菌或更大的生物体中，每个样本都进入了测序管道。通过生物信息学，我们将所有数据组装成一致的东西。”

问:选择了哪些样本地点来评估浮游生物的差异?

艾德。基莉:第一次考察是对全球浮游生物生态系统进行物候抽样，以描述整个浮游生物生态系统是如何结构和组织的，它是如何运作的，以及不同的深度和位置参数是如何影响它的。除了在沿海和开阔海域采集样本外，我们还从中尺度涡流、上升流、酸化水域和厌氧区收集了样本。

这是最初的采样，我们将把它作为基线，与未来探险的样本进行比较。几年内，我们将分析所有的数据，对海洋系统有更清晰的了解。然后，我们可以设定研究目标，并返回特定的采样地点，作为科学计划的一部分。

问:对样品进行了什么类型的分析?

CB:我们对一些样品进行了显微镜、流式细胞仪、营养测量和测序。当样本返回陆地时，船上的一切都经过了仔细的准备。我们决定对所有类型的生物进行测序，从病毒到小型后生动物，并对相同系列的样本进行这些研究。

问:你在研究中使用了什么测序系统?

PW:在项目开始的时候，我们还在使用罗氏454系统。但这并没有持续多久。我们意识到我们所测序的群落的复杂性是非常高的，我们需要一个更高的通量系统来获得生物学的见解。我们首先切换到基因组分析仪系统，然后迅速转移到HiSeq 2000系统。最终，我们在这个项目中使用了6个HiSeq系统。

“难以置信，我们在这么短的时间内取得了这么大的进展。Illumina测序系统在我们开始…我们不知道它们能让我们对海洋中所有的浮游生物进行排序。”

问:到目前为止，您进行了哪些类型的测序研究?

PW:我们进行了核糖体RNA测序来分析光带真核生物的多样性，并进行了宏基因组学来研究病毒、原核生物和微真核生物。并不是所有的测序都完成了。我们发表了基于75个采样站579个样本的宏基因组数据的第一系列研究。在《科学》杂志上发表了5篇论文，内容包括:阳光照射下海洋中的真核浮游生物多样性;¹全球海洋微生物群的结构和功能;²海洋病毒群落的格局和生态驱动因素^3.全球浮游生物相互作用组群落结构的决定因素⁴以及阿古勒斯环的环境特征以及它们如何影响海洋间浮游生物的运输。⁵

问:最初的数据有什么出人意料的地方吗?

艾德。基莉:我们对发现的真核生物的多样性感到惊讶。就物种而言，真核生物比细菌和病毒更加多样化。我们也没有预料到我们获得的数据量。我们对地表到100米之间的整个生态系统(病毒、细菌和真核生物)几乎有了完整的描述，对100米到500米之间的水层也有了相当好的描述。

CB:真核生物的多样性令人震惊。有许多新的生物尚未被识别，这是令人兴奋的。大约90%的序列来自我们无法命名的生物，我们无法将其中的三分之一放入真核生物的生命树中。海洋的多样性很大，但也是有限的。随着我们对更多样本进行测序，我们将非常接近最终的完整信息集。

PW:我们认为我们拥有海洋中存在的大多数细菌基因类型。大概有成千上万种。我们现在有一个大约4000万个基因的目录，这个目录几乎涵盖了海洋中存在的大部分基因。

“我们现在正在进行单细胞测序，以了解特定生物的作用……下一步是评估不同环境条件下的基因表达和微生物相互作用。”

问:您正在执行哪种类型的数据分析?

CB:我们正在以更深入的方式询问数据，以集成不同的数据集。我们有很多环境参数数据，成千上万的生物图像，以及所有这些序列信息。我们需要把它们放在一起，以更多地了解生态系统中哪些生物在做什么。他们长什么样子，为什么要这样做?为了解决这些问题，我们需要建立具有环境参数和基因表达的矩阵，以了解哪些基因对应哪些参数或生物体。我们已经开始使用我们拥有的数据集进行这些分析。

PW:我们现在正在进行单细胞测序，以了解特定生物在特定位置的作用。现在我们已经从宏基因组学的角度描述了大多数物种，下一步是评估不同环境条件(位置、海洋深度、水质等)下的基因表达和微生物相互作用。最终，我们将拥有所有基因集合的大型元转录组数据集。

艾德。基莉:我们也有一些关于生态系统组成与碳通量之间相关性的数据。海洋中似乎存在与碳封存相关的基因和生态系统网络。

CB:此外，我们正在分析来自特定海域的样本。例如，我们目前正在探索来自北冰洋的完整数据集。我们将用这个数据集来比较北极的生态系统与世界其他地方的生态系统。这是令人兴奋的科学。

问:你的海洋样本中有数百万个细胞。如何确定使用哪些细胞进行单细胞测序?

PW:首先，我们使用核糖体RNA生物标志物来识别细胞，这样我们就知道它们来自什么物种。然后我们对来自那些已知重要但也未培养的生物体的细胞进行测序。

“海洋的多样性很大，但也是有限的。随着我们对更多样本进行测序，我们将非常接近最终的完整信息。”

问:了解海洋生态系统如何变化的下一步是什么?

CB:我们将评估人类活动对海洋的影响。我们有来自沿海地区和公海的基线样本。有关于人类对海洋影响的详细数据库，包括某些地区已记录的入侵物种数量、渔业的增长或衰退、海洋酸化、温度变化、海岸线变化。在未来，我们可以用这些数据集分析我们的结果，以了解不同现象之间的联系，包括人类的影响。

新的探险将使我们能够比较样本数据，并了解海洋是如何因人类活动而变化的。我们样本的丰富之处在于我们有许多来自公海的样本。这很不寻常，因为并不是每天都有船只出海到大洋中央采集浮游生物样本。这些公海样本是一种宝贵的资源。

问:当你开始科学生涯时，你能想象能够如此完整地对数百个海洋样本进行测序吗?

CB:在我这一代，我们一个一个地克隆基因，而一个博士项目就是对基因进行测序。难以置信，我们在这么短的时间内取得了这么大的进展。Illumina测序系统在我们开始考虑这次探险后不久就推出了。我们不知道它们能让我们对海洋中所有的浮游生物进行排序。

PW:如果没有下一代测序，这个项目就不可能实现。

艾德。基莉:即使在我们开始这个项目的时候，我也没有意识到我们能够这么快地进行测序。这是一个很大的惊喜。

问:下一次全球科学考察什么时候启航?

艾德。基莉:2016年计划进行一次新的考察，重点是对西太平洋珊瑚礁的水和珊瑚进行取样。基因组学也将在这项研究中发挥重要作用。

yobet亚洲亚博官网人口了解本文中提到的Illumina产品和系统的更多信息:

HiSeq系统:www.169o.com/systems/hiseq_2500_1500.html

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