ISME 저널(2023)이 기사 인용
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해양 식물성 플랑크톤은 광독립 영양 유기체의 다양한 그룹이자 지구 탄소 순환의 주요 중재자입니다. 식물성 플랑크톤 생리학과 바이오매스 축적은 혼합층 깊이와 밀접하게 연관되어 있지만, 혼합층 깊이의 변화에 반응하여 활성화되는 세포내 대사 경로는 아직 덜 연구되어 있습니다. 여기서, 메타전사체학은 북서 대서양의 늦은 봄 동안 이틀 동안 혼합층 얕아짐(233m에서 5m까지)에 대한 식물성 플랑크톤 군집 반응을 특성화하는 데 사용되었습니다. 대부분의 식물성 플랑크톤 속은 시스템이 깊은 혼합층에서 얕은 혼합층으로 전환되고 빠른 세포 성장을 지원하는 저장된 탄소의 이화작용으로 이동함에 따라 핵심 광합성, 탄소 저장 및 탄소 고정 유전자를 하향 조절했습니다. 대조적으로, 식물성 플랑크톤 속은 이 전환 동안 광계 빛 수확 복합 유전자에 대해 다양한 전사 패턴을 나타냈습니다. 바이러스 대 숙주 전사체의 비율로 간주되는 활성 바이러스 감염은 Bacillariophyta(규조류) 문에서 증가하고 혼합층이 얕아지면 Chlorophyta(녹조류) 문에서 감소했습니다. 우리 연구 결과에 대한 생태생리학적 맥락을 제공하기 위해 개념적 모델이 제안되었으며, 여기서 일시적인 깊은 혼합 동안 통합된 빛 제한과 낮은 분할 속도는 광합성, 탄소 고정 및 탄소 저장과 관련된 자원 중심의 진동 전사 수준을 방해하는 것으로 가정되었습니다. 우리의 연구 결과는 연간 북대서양 꽃이 피는 동안 일시적인 깊은 혼합 및 얕은 사건과 관련된 동적 빛 환경에 적응하는 식물성 플랑크톤 공동체 내에서 공유되고 독특한 전사 반응 전략을 강조합니다.
식물성 플랑크톤은 난류 혼합 또는 대류에 의해 균질화되는 해양의 최상부 지역인 표층 혼합층(ML)의 계절적 축적을 통해 해양 지역의 해양 먹이그물을 지원하는 단세포 광독립영양생물입니다. 계절에 따른 식물성 플랑크톤 번성은 혼합층 깊이(MLD)[1, 2]와 밀접하게 연관되어 있습니다. 봄에 햇빛과 따뜻함이 증가하면 ML이 얕아지고 식물성 플랑크톤은 겨울보다 더 높은 일조량에 노출되어 표면 바이오매스가 높아집니다. 축적 [1]. 북대서양에서 식물성 플랑크톤 바이오매스의 연간 주기는 원핵 생물과 진핵 생물 종 모두의 시간적 변화를 반영하지만, 봄 개화가 절정에 달하는 동안에는 바이오매스를 지배하는 것은 진핵 생물 종이다. 이 북대서양 사건은 전 세계 해양에서 가장 큰 사건 중 하나이며, 북대서양 에어로졸 및 해양 생태계 연구(NAAMES) [3,4,5,6,7,8,9] 중에 연간 순환이 최근 조사되었습니다. NAAMES 연구는 물리적 환경(예: MLD 변화)과 꽃을 지배하는 진핵 식물성 플랑크톤의 군집 구성 및 생태생리학 사이의 연관성을 강조했습니다[4, 5, 7, 10, 11].
이전 현장 연구에서는 며칠에서 몇 달의 시간 규모에 따른 MLD 변화에 대한 북대서양의 대량 진핵생물 식물성 플랑크톤 군집 반응을 특징으로 했습니다[4, 8,9,10, 12]. 봄에는 폭풍이 간헐적으로 표층수를 교란하고 유광대 아래의 MLD를 심화시켜 아래에서 영양분으로 ML을 보충하고 일시적으로 빛이 제한된 식물성 플랑크톤 성장을 초래합니다[10]. 우리는 최근에 식물플랑크톤 군집이 얕은 산화 스트레스(산화된 막 지질, 세포내 ROS 및 투명한 엑소폴리머 입자 생산)와 늦봄에 바이오매스가 축적될 때 양성 바이러스 생산의 특징을 보인다는 것을 보여주었습니다[4]. 봄의 절정 단계 이후 ML은 여름과 가을에 더욱 강력하고 안정적으로 층화됩니다. 이러한 장기간의 계층화는 영양 결핍, 식물성 플랑크톤 농도 감소, 음성 축적률 및 손상된 막의 시그니처, 사망 관련 프로테아제 활성 및 바이러스 생산으로 이어지며, 모두 포식자/바이러스 농도 증가 및 프로그래밍된 세포와 같은 식물성 플랑크톤 제거 메커니즘 증가와 관련이 있습니다. 죽음 [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>
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