Морской фитопланктон подавляет основной фотосинтез и гены хранения углерода при быстром обмелении смешанного слоя.

Журнал ISME (2023 г.) Процитировать эту статью

1547 Доступов

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Морской фитопланктон представляет собой разнообразную группу фотоавтотрофных организмов и ключевых медиаторов глобального углеродного цикла. Физиология фитопланктона и накопление биомассы тесно связаны с глубиной смешанного слоя, но внутриклеточные метаболические пути, активируемые в ответ на изменения глубины смешанного слоя, остаются менее изученными. Здесь метатранскриптомика была использована для характеристики реакции сообщества фитопланктона на обмеление смешанного слоя (от 233 до 5 м) в течение двух дней поздней весной в Северо-Западной Атлантике. Большинство родов фитопланктона подавляли основные гены фотосинтеза, хранения углерода и фиксации углерода, когда система перешла от глубокого к мелкому смешанному слою и сместилась в сторону катаболизма накопленного углерода, поддерживающего быстрый рост клеток. Напротив, во время этого перехода роды фитопланктона демонстрировали различные паттерны транскрипции для генов светособирающих комплексов фотосистемы. Активная вирусная инфекция, выраженная как соотношение транскриптов вируса и хозяина, увеличивалась в типе Bacillariophyta (диатомовые) и уменьшалась в типе Chlorophyta (зеленые водоросли) при обмелении смешанного слоя. Предлагается концептуальная модель, обеспечивающая экофизиологический контекст для наших результатов, в которой предполагается, что интегрированное ограничение света и более низкие скорости деления во время переходного глубокого перемешивания нарушают управляемые ресурсами колеблющиеся уровни транскриптов, связанные с фотосинтезом, фиксацией углерода и хранением углерода. Наши результаты подчеркивают общие и уникальные стратегии транскрипционного ответа в сообществах фитопланктона, акклиматизирующихся к динамической световой среде, связанной с временными событиями глубокого перемешивания и обмеления во время ежегодного цветения в Северной Атлантике.

Фитопланктон — это одноклеточные фотоавтотрофы, которые поддерживают морские пищевые сети во всех регионах океана посредством сезонного накопления в поверхностном смешанном слое (ML), самой верхней области океана, которая гомогенизируется за счет турбулентного перемешивания или конвекции. Сезонное цветение фитопланктона тесно связано с глубиной смешанного слоя (MLD) [1, 2], когда увеличение солнечного света и тепла весной приводит к тому, что ML становится более мелким, а фитопланктон подвергается более высокой дневной радиации, чем зимой, что приводит к увеличению поверхностной биомассы. накопление [1]. В Северной Атлантике годовые циклы биомассы фитопланктона отражают временные изменения как у прокариотических, так и у эукариотических видов, но во время кульминации весеннего цветения именно эукариотические виды доминируют в биомассе. Это событие в Северной Атлантике является одним из крупнейших цветений в мировом океане, и его годовой цикл недавно был исследован в ходе исследования аэрозолей и морской экосистемы Северной Атлантики (NAAMES) [3,4,5,6,7,8,9]. Исследование NAAMES подчеркнуло связь между физической средой (например, изменениями MLD) и составом сообщества и экофизиологией эукариотического фитопланктона с доминирующим цветением [4, 5, 7, 10, 11].

Предыдущие полевые исследования охарактеризовали реакцию сообщества эукариотического фитопланктона в Северной Атлантике на изменения MLD во временных масштабах от дней до месяцев [4, 8,9,10, 12]. Весной штормы эпизодически нарушают поверхностные воды и углубляют МЛД ниже эвфотической зоны, что приводит к пополнению МЛ питательными веществами снизу и кратковременно ограниченному светом росту фитопланктона [10]. Недавно мы показали, что при обмелении сообщества фитопланктона демонстрируют признаки повсеместного окислительного стресса (окисленные мембранные липиды, внутриклеточные АФК и производство прозрачных экзополимерных частиц) и положительную продукцию вирусов при накоплении биомассы в конце весны [4]. После весенней климаксной фазы летом и осенью МЛ становится более сильной и устойчивой стратификацией. Эта длительная стратификация приводит к лишению питательных веществ, уменьшению концентраций фитопланктона, отрицательным скоростям накопления и признакам поврежденных мембран, активности протеаз, связанных со смертью, и производству вирусов, и все это связано с усилением механизмов удаления фитопланктона, таких как увеличение концентрации хищников/вирусов и запрограммированных клеток. смерть [4].

|1|). Each column represents a sample triplicate from (A). Z scores, row order, and column grouping are based on a correlation matrix constructed from variance stabilized transformation of gene expression, using pairwise complete observations and Pearson coefficients. Nodes are only labeled if they were under 100 bootstraps (n = 1000, average method, correlation distance matrix, pairwise complete observations.). F Percentage of significantly changed genes by genus (adjusted p value <0.001, log2 fold change > |1|). "1V2", "1V3", "2V3", etc. refer to sample number comparisons in (A)./p>100 m MLD to <25 m MLD within 72 h) can occur several times per year in some regions of the Northwest Atlantic (Supplementary Table 1, Supplementary Fig. 1). These rapid shallowing and deepening events happen most frequently from November through May in this region (Supplementary Fig. 1)./p>0.05 and <0.2 µm in diameter within the euphotic zone) is highest during periods of the North Atlantic bloom with nutrient limitation and reactive oxygen stress biomarkers [4]. In this study, macronutrients were not limiting (Supplementary Fig. 2E–G) but light was limiting in some samples, and reactive oxygen stress was likely high based on our previous bulk community analysis [4]; together they suggest a combination of saturated light and reactive oxygen stress may trigger viral lysis in diatom communities. Chlorophyte viruses apparently had an opposite trigger; low light possibly triggered early stages of lysis or at least increased viral transcript abundance (Fig. 7). To date, it is unknown what specific environmental stresses can trigger viral replication or induction but our results highlight important areas of investigation with implications to viral ecology. The impact of rapid changes in MLD and other physical drivers on subcellular molecular interactions are a ripe area for investigation in viral ecology and bloom progression, as predation pressure is likely a key force shaping the annual bloom in the North Atlantic [1, 4]./p>200 m MLD), like that encountered on the first day of our study, resulted in phytoplankton communities receiving insufficient daily irradiance to support similarly high rates of cell division. Consequently, cells maintained relatively high predawn levels of transcripts related to core photosynthesis, carbon fixation (Calvin cycle) and anabolic energy storage genes and did not increase PPP or catabolic carbon storage genes (Fig. 8C). This strategy allows deeply mixed, light-starved communities to maximize photosynthesis and carbon fixation and conserve fixed carbon over shorter integrated periods of light exposure in deep MLs. In this scenario, energy-starved populations must maintain higher relative levels of mRNA for core photosynthesis, Calvin cycle, LHCs and other metabolic pathways. Although mRNA levels for these key genes remains relatively high during this light limited/ energy limited condition, it's possible that the higher energy and macromolecular cost of maintaining protein pools during light-limited conditions may be mitigated through decreasing protein turnover and translation rates [82, 83]. Future studies employing a sampling regime with higher time resolution can rigorously test this ‘deep disruption’ conceptual model and better evaluate its ecophysiological interpretation./p>

|1|). Three groups of comparisons were used to search for significant changes in gene expression within the deeply mixed layer; within the shallow mixed layer; and between respective depths for deep and shallow mixed layers (Fig. 1F). Normalized read values from DESeq2 were used to make heatmaps from subsets of significantly altered genes (Figs. 2, 4, 5, 6 and 8)./p> |1|) in at least one of the three categories of comparisons were used for expression analysis of key gene pathways related to MLD (Figs. 2, 4, 5, 6 and Supplementary Fig. 9), while all genes were included in analysis of the proportion of key genes significantly changed (Supplementary Figs. 4, 7, and 8)./p>

Блог

Морской фитопланктон подавляет основной фотосинтез и гены хранения углерода при быстром обмелении смешанного слоя.