Ao analisar os ganhos e perdas nos genes das amostras de fitoplâncton coletadas em todas as principais regiões oceânicas, pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine criou o mapa com mais nuances e de alta resolução para mostrar onde esses organismos fotossintéticos prosperam ou são forçados a se adaptar a quantidades limitadas de nutrientes essenciais, azoto, fósforo e ferro.

Como parte da nova iniciativa Bio-GO-SHIP, os cientistas da UCI fizeram oito implantações em seis navios de pesquisa diferentes, passando 228 dias no mar no Atlântico, Oceanos Pacífico e Índico. Eles geraram quase 1, 000 metagenomas oceânicos de 930 localidades ao redor do globo, com uma distância média entre os pontos de coleta de 26,5 quilômetros (cerca de 16,5 milhas).

Em um estudo publicado hoje em Ciência , os pesquisadores da UCI explicam como eles usaram uma riqueza de informações embutidas em genes microbianos - especificamente da espécie do fitoplâncton Prochlorococcus - como um biossensor da saúde e produtividade do oceano. Oceanógrafos que trabalham neste campo estão profundamente interessados ​​em entender como esses organismos se adaptam ao "estresse de nutrientes, "que é a luta para encontrar ou usar as substâncias essenciais de que precisam para crescer e se reproduzir.

"O fitoplâncton é fundamental para a cadeia alimentar marinha, e eles são responsáveis ​​por até metade da fixação global de dióxido de carbono em uma base contínua, então a saúde e distribuição desses organismos é muito importante, "disse o co-autor sênior Adam Martiny, Professor UCI de ciência do sistema terrestre. "O conhecimento obtido nessas viagens ajudará os climatologistas a fazer previsões mais sólidas sobre o papel do fitoplâncton na regulação dos estoques de carbono na atmosfera e no oceano."

Uma vez que o fitoplâncton microbiano vive em grandes populações e têm ciclos de vida rápidos, os pesquisadores sugerem que as mudanças na composição da comunidade e no conteúdo genômico podem fornecer um alerta precoce sobre as transformações ambientais e o fazem muito mais rápido do que simplesmente analisando a física e a química dos oceanos.

"Azoto, a limitação de fósforo e ferro em muitas regiões oceânicas superficiais é quase impossível de detectar por meio de análises químicas de amostras de água; as quantidades desses elementos são muito baixas, "disse o autor principal Lucas Ustick, um estudante de graduação da UCI em ecologia e biologia evolutiva. "Mas quantificar mudanças nos genes Prochlorococcus envolvidos na absorção dos principais nutrientes, e suas combinações, fornece um forte indicador da geografia do estresse nutricional. "

Os autores apontaram que todos os genomas de Prochlorococcus incluem um determinado gene que permite ao fitoplâncton assimilar diretamente o fosfato inorgânico disponível gratuitamente na água do mar. Mas quando este composto está em falta, o fitoplâncton se adapta ganhando um gene que permite às células absorver o fósforo orgânico dissolvido, que podem ser detectados em seu genoma.

Os pesquisadores também estudaram vários outros exemplos de adaptações genéticas para diferentes níveis de fósforo, ferro e nitrogênio no ambiente para ver que tipo de compensação o fitoplâncton está fazendo continuamente. O que resultou é um mapa global de estresse nutricional. Os pesquisadores também foram capazes de identificar regiões onde o fitoplâncton sofre co-estresse envolvendo dois ou mais elementos, um deles quase sempre sendo nitrogênio.

O trabalho da equipe revelou o Oceano Atlântico Norte, O Mar Mediterrâneo e o Mar Vermelho são regiões de elevado estresse por fósforo. Os genótipos adaptados ao estresse de nitrogênio são comuns nas chamadas regiões oligotróficas, onde os nutrientes são baixos e o oxigênio é alto, e resultados de amostragem de pesquisa sugerem ampla adaptação ao estresse de ferro.

A análise dos genótipos do fitoplâncton confirmou padrões biogeográficos conhecidos de estresse nutricional estimado por diferentes técnicas, mas também revelou regiões previamente desconhecidas de estresse nutricional e co-estresse. Os pesquisadores tinham uma compreensão limitada do estresse nutricional no Oceano Índico antes de sua análise metagenômica, mas seu trabalho ajudou a preencher muitas lacunas. Eles agora sabem que a região de ressurgência do Mar da Arábia é uma área de estresse ferroso, e eles detectaram estresse de fósforo associado às correntes oceânicas que fluem para o sul, entre muitas outras descobertas.

Ainda, eles dizem, Sempre há mais para aprender.

"Nosso trabalho destaca lacunas em nossas medições de ambientes de alta latitude, na maior parte do Oceano Pacífico, e em ecossistemas de águas profundas, "disse a co-autora Alyse Larkin, UCI pós-doutorado em ciência do sistema terrestre. "O progresso que fizemos em nossas expedições recentes nos inspira a sair e cobrir todo o planeta."