在七大洋航行进行浮游生物研究

介绍

1995年，埃里克Karsenti，博士，带领一个细胞生物学团队在德国海德堡的欧洲分子生物学实验室（EMBL）。同时进行细胞周期的研究，他决定读达尔文考虑到他的全球调查探险队登上HMS的猎犬．在五年的旅程中，达尔文大部分时间都在陆地上，对动植物进行观察，这些观察后来为他的进化论提供了动力。读完这本书后，卡森蒂博士开始思考，在绘制海洋生物多样性地图方面进行类似的考察有什么好处。2009年，这个想法变成了现实，110英尺塔拉研究纵帆船启航。在为期四年的旅程中，研究人员从全球各地采集了35000份海水样本，并对其进行了取样、分析和测序，以进行广泛的浮游生物研究。

“Although tiny, these organisms are a vital part of the Earth’s life support system, providing half of the oxygen generated each year on Earth by photosynthesis and lying at the base of marine food chains on which all other ocean life depends,” Dr. Karsenti said. Yet only a small fraction of plankton has been cultured in the laboratory. Until recently the organization, evolution, and dynamics of marine ecosystems have been poorly understood.

这塔拉海洋探险队联合了来自不同学科的200多名科学家，将生态学、海洋学、细胞生物学、遗传学和系统生物学结合在一起，以提高对浮游生物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术，还进行了下一代测序(NGS)研究，以发现无法培养的浮游生物的存在，并评估群落多样性和动态。

要了解yobet亚洲亚博官网人口有关探险的更多信息，所产生的排序数据以及由项目中的三个中央数字讨论了所产生的排序数据和所做的发现。Karsenti博士是2015年中心国家De LaRecherchéScientifique Gold奖牌的探险组织者和收件人。Chris Bowler，Phd，是科学协调员塔拉高等师范学院生物研究所(IBENS)海洋探险队和环境和进化基因组学部门负责人。帕特里克·温克博士是基因测序技术和真核生物基因组学项目主任。

问：为什么是塔拉海洋探险开展，它始息何时结合在一起？

Eric Karsenti（ek）：我最初开始在1995年开始思考科学的海洋航行。我认为执行一个人会很有趣HMS猎犬- 麦克斯顿多样性调查探险，并评估他们在海洋生态系统中的动态作用。我也意识到帆船航行的浪漫主义会抓住人们的注意力，让我们借口沟通探险科学的科学对无光度受众。直到2000年我决定学习如何汇集这种探险时，我并没有再考虑它。yobet亚洲我与Christian Sardet和Gaby Gorsky谈到了JangealatoireOcéanologiqueDevillefranche，他们立即认识到该价值。我联系了Romain排他，的所有者塔拉大篷车，那是我们决定形成探险的时候。

问:这次远征的目的是什么?

ek：这次探险的想法是首先在海洋中进行评估。它开始收集样品。我们的目标是在上部阳光光泽（660英尺/ 200米）的海洋浮板上进行样品。我们还比海洋暮光区（> 6000英尺/ 2000m）更深的样品。在为期四年的探险期间塔拉航行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，我们测序的群体非常复杂，我们需要一个更高的通量系统来获得生物学上的见解。最终，我们在这个项目中使用了六个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(CB):当我通过小道消息听说这个项目时，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。硅藻是一种能进行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基于实验室的。这塔拉海洋探险提供了一个独特的机会，可以获得开放海洋和沿海地区的样本，以测试我们在实验室中产生的假设。我们对该项目感到兴奋，并邀请了一些其他人加入，慢慢建立了整个团队。

Patrick Wincker（PW）：Genoscope成为参与2008年作为项目背后的科学财团正在组装。一个早期的参与者提到了我们，我们渴望加入。我们提供给执行样本的测序和数据分析。

问：您是如何决定在哪里采取样品的？你用什么方法来跟踪它们？

PW:我们与财团的其他成员合作，定义并优先顺序最佳代表不同海洋状况的采样位置列表。我们希望捕捉全球各方的海洋的全部多样性。

ek：我们花了大约60个小时在210个采样站，或大约12600个小时收集样本。我们在500-600米深处采集生物标本。为了对水柱进行表征，我们使用了物理化学仪器，并定期取样至1000米深处。我们开发了一个复杂的物流系统，每个样品都经过条形码编码，在日志表上逐条记录，并与日期、时间、环境位置和其他数据相关联。

CB：您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处采用几个样本，但是对于不同的分析。我们的样品分级分级并富含病毒，细菌或较大的生物，每种进入测序管道的每种。每个条形码使我们能够遵循样本进入实验室。通过生物信息学，我们将所有数据组装成一个连贯的东西。这是一个复杂的，后勤程序，以获得所有的工作。我们设法做得很好，归功于私人人团队。

“我们的样本被分离并富集在病毒、细菌或更大的有机体中，每一个都进入了测序流程。通过生物信息学，我们将所有数据整合成连贯的东西。”

问：选择了哪些样本网站以评估浮游生物生活的差异？

ek：这首次探险是全球性的PREAPICAL采样，以表征整个浮游生物生态系统是如何结构和组织的，如何运作，以及深度和位置的不同参数如何影响它。除了沿着海岸和开阔的海洋采取样品，我们还收集了来自Mesoscale Eddies，Uppwerings，酸化水域和厌氧区的样品。

这是一个初步的样本，我们将用作与未来探险的样本进行比较的基线。在几年内，我们将分析所有的数据，对海洋系统有一个更清晰的认识。然后，我们可以设定研究目标，并返回特定的采样地点，这是一个科学的计划的一部分。

问：对样品进行哪些类型的分析？

CB：我们进行了显微镜，流式细胞术，营养素测量和一些样品的序列。当样品回到土地上时，船上的一切都被仔细编写了特定的协议。我们决定对所有类型的生物进行测序，从病毒到小美唑烷，并在同一系列样品上进行这些研究。

问：您对研究使用了哪种排序系统？

PW:在项目开始的时候，我们还在使用罗氏454系统。但这并没有持续太久。我们意识到我们测序的群体非常复杂，我们需要一个更高的通量系统来获得生物学上的见解。我们首先改用了基因组分析系统，然后很快改用了HiSeq 2000系统。最终，我们在这个项目中使用了六个HiSeq系统。

“难以置信，我们在这么短的时间里走了这么远。Illumina测序系统在我们启动后不久就被引入……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，您是否执行了哪些类型的测序研究？

PW:我们已经进行了核糖体RNA测序来分析真核生物在光带的多样性，并进行宏基因组学研究病毒、原核生物和微真核生物。并不是所有的测序都完成了。我们已经发表了基于75个采样点579个样本的宏基因组数据的第一批研究。《科学》杂志发表了五篇论文，内容包括:阳光照射下的真核浮游生物多样性;¹全球海洋微生物组的结构和功能;²图案和海洋病毒群落的生态驱动因素;^3.全球浮游生物群落结构的决定因素^4.和阿古拉斯的环境特点戒指以及它们如何影响interocean浮游生物运输。^5.

问:最初的数据有什么令人惊讶的地方吗?

ek：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多样化。我们也没有预料到我们获得的数据量。我们几乎对地表到100米之间的整个生态系统(病毒、细菌和真核生物)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。还有许多新的有机体有待鉴定，这是令人兴奋的。大约90%的序列来自于我们无法用特定名称确定的生物体，我们无法将其中三分之一放入真核生物生命树中。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排序，我们将非常接近最终的、完整的信息集。

PW:我们认为，我们有大部分的细菌基因类型存在于海洋中。可能有成千上万种。我们现在有一个目录的约4000万个基因，这是目录接近覆盖大部分存在于海洋中的基因。

“我们现在正在执行单细胞测序来了解特定生物体中的作用......下一步是评估基因表达和不同的环境条件下微生物的相互作用。”

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。我们有许多环境参数数据，成千上万的生物图像和所有这些序列信息。我们需要将其放在一起以了解更多关于哪些生物正在进行生态系统。它们看起来像什么，为什么他们在做他们做的事情？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，以查看哪些基因对应于哪种参数或生物。我们已经开始使用我们拥有的数据集进行这些分析。

PW:我们现在正在执行单细胞测序来了解具体的生物在某些位置的作用。现在，我们已经描述大部分品种在宏基因组学的观点出发，下一步骤是评估基因表达和不同的环境条件（位置，海洋深度，水质量等）下微生物相互作用。最终，我们将有大metatranscriptomic数据集所有基因的集合。

ek：我们也有一些关于生态系统组成与碳通量之间的相关性的数据。看来，基因和生态系统网络与海洋中的碳封存有关。

CB：此外，我们还分析了特定海洋地区的样本。例如，我们目前正在探索从北冰洋的完整数据。我们将使用此数据集将北极生态系统与世界其他地区发现的人进行比较。这是令人兴奋的科学。

问：你有百万个细胞的海洋样品英寸你如何确定使用单细胞测序哪些细胞？

PW:首先，我们使用核糖体RNA生物标志物鉴定细胞，所以我们知道他们来自的物种。然后我们从那些已知重要的那些生物中序列细胞，但也是未培养的。

“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排序，我们将非常接近最终的、完整的信息集。”

问:了解海洋生态系统如何变化的下一步是什么?

CB：我们将评估对人类海洋的影响。我们有来自沿海地区和开放的海洋基线样品。详细的数据库，对海洋的人的影响存在，覆盖已被记录在某些领域，经济增长或渔业的衰退，海洋酸化，温度的变化，海岸线变化入侵物种的数量。在未来，我们可以分析我们与这些数据集的结果，了解不同的现象，包括对人的影响之间的联系。

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。我们取样的丰富之处在于我们有许多来自公海的样本。这是不寻常的，因为并不是每天都有船只去大型海洋中心采集浮游生物样本。这些开阔的海洋样本是一种宝贵的资源。

问:当你开始你的科学生涯时，你能想象到能够如此全面、完整地对数百个海洋样本进行测序吗?

CB：我来自我们克隆一个逐一的生成，并且博士学位项目将是测序的。在这么短的时间内，我们才难以置信。在我们开始思考探险之后，illumina测序系统很快就会引入。我们没有任何线索，他们能让我们能够排序海洋中的所有浮游生物。

PW:不新一代测序这个项目不会有可能的。

ek：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：下一个全球科学探险队何时起航？

ek：计划2016年有一个新的探险，将重点关注在西太平洋珊瑚礁中的水和珊瑚进行取样。基因组学也会在这项研究中起着很大的作用。

yobet亚洲亚博官网人口了解有关本文中提到的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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