Rapid isothermal amplification of diatom rbcL from eDNA and eRNA reveals their abundance and photosynthetic physiology

المحيط عبارة عن مشهد شاسع ومتغير، حيث تقود أصغر الكائنات الحية أكبر الأنظمة. ومن بين هذه الكائنات، تُعد الدياتومات طحالب مجهرية تشكل أساس الشبكات الغذائية البحرية، حيث تلتقط ضوء الشمس وتحوله إلى طاقة تدعم الحياة من السطح إلى الأعماق. لعقود من الزمن، حاول العلماء فهم عدد هذه النباتات الصغيرة الموجودة في أي لحظة معينة ومدى نشاط نموها. اعتمدت الأساليب التقليدية على مراقبة المحيط من الفضاء لقياس الأصباغ الخضراء أو أخذ عينات من الماء لعد الخلايا تحت المجهر. ورغم فائدة هذه الأساليب، إلا أنها تفتقر غالباً إلى السرعة والتفصيل اللازمين لرصد التغيرات السريعة في المياه، مما يترك فجوات في فهمنا لكيفية استجابة هذه الكائنات الحيوية لبيئتها.

ولملء هذه الفجوة، توجه الباحثون إلى المادة الوراثية الطافية في الماء نفسه. فكل كائن حي يفرز أجزاءً من حمضه النووي (DNA)، وهو بمثابة دليل التعليمات للحياة، وحمضه النووي الريبوزي (RNA)، وهو النسخة النشطة من تلك التعليمات التي تستخدمها الخلايا لبناء البروتينات والقيام بالوظائف اليومية. ومن خلال تحليل هذه المادة الوراثية البيئية، يمكن للعلماء ليس فقط اكتشاف من هو موجود، بل وأيضاً ما الذي يفعله. تركز دراسة جديدة على جين محدد يوجد في الدياتومات وهو ضروري لعملية التمثيل الضوئي، وهي العملية التي تحول من خلالها هذه الكائنات الضوء إلى غذاء. وقد طور الباحثون طريقة للعثور على هذا الجين وعدّه بسرعة، دون الحاجة إلى المعدات المعقدة ذات الحرارة العالية المطلوبة عادة لمثل هذه المهام.

ابتكر الفريق اختباراً يعمل عند درجة حرارة ثابتة ومنخفضة، مما يسم يسمح له بإعطاء النت في أقل من خمس عشرة دقيقة. وتعمل هذه الطريقة، المعروفة باسم "تضخيم البوليميراز بوساطة الريكومبيناز"، مثل آلة تصوير جزيئية يمكنها صنع ملايين النسخ من تسلسل جيني محدد من عينة مائية صغيرة. اختبر الباحثون هذه الأداة على مجموعة واسعة من أنواع الدياتومات لضمان قدرتها على التعرف عليها جميعاً بدقة. ثم أخذوها إلى خليج نابولي في إيطاليا، حيث جمعوا عينات مائية على فترات زمنية، وقارنوا قياساتهم الجينية الجديدة بالعد التقليدي للخلايا، وصور الأقمار الصناعية للون المحيط، والقياسات المباشرة لكمية الكربون التي كانت الدياتومات تثبتها.

أظهرت النتائج أن الاختبار الجديد يمكنه تتبع عدد الدياتومات في الماء عبر نطاق هائل، بدءاً من التجمعات النادرة جداً وصولاً إلى الازدهار الكثيف، وهو ما طابق الأعداد التي رُصدت تحت المجهر. ومع ذلك، قدمت البيانات الجينية طبقة أعمق من الرؤية؛ فمن خلال النظر في الحمض النووي (DNA)، الذي يمثل العدد الإجمالي للكائنات، والحمض النووي الريبوزي (RNA)، الذي يمثل العمل النشط الذي تقوم به تلك الكائنات، استطاع الباحثون رؤية كيف تغيرت الدياتومات مع تغير الفصول. ففي فصل الشتاء، عندما كان الضوء شحيحاً وعدد الدياتومات أقل، احتوت الخلايا المتبقية على نسخ أكثر من جين التمثيل الضوئي وكمية أكبر من الصبغة الخضراء. ويشير هذا إلى أن الدياتومات كانت تعزز آلياتها الداخلية لالتقاط أكبر قدر ممكن من الضوء، رغم انخفاض أعدادها الإجمالية.

علاوة على ذلك، فإن كمية المادة الوراثية النشطة، أو الحمض النووي الريبوزي (RNA)، الموجودة في الماء تطابقت مباشرة مع معدل تثبيت الكربون بواسطة الدياتومات. وقد سمح هذا الارتباط للباحثين بتحديد مجموعات معينة من الدياتومات التي تعمل بجهد أكبر من غيرها، مما كشف عن اختلافات في نشاطها الأيضي (التمثيل الغذائي) قد تغفل عنها عمليات العد القياسية. وتثبت الدراسة أن هذا الاختبار الجيني السريع ومنخفض الحرارة هو وسيلة موثوقة لمراقبة كل من وفرة وحالة الدياتومات الفسيولوجية في المحيط. كما أنه يقدم أداة عملية لمراقبة الحياة البحرية في الوقت الفعلي، مما يوفر صورة أوضح لكيفية عمل هذه الكائنات الحيوية وتكيفها مع الظروف المتغيرة في البحر.