New method to quantify Endozoicomonas species in the corals based on TaqMan qPCR

غالبًا ما تُوصف الشعاب المرجانية بأنها مدن تحت الماء، تعج بالحياة التي تمتد إلى ما هو أبعد بكثير من الحيوانات الحجرية الملونة التي نراها بأعيننا. في الواقع، يمثل المرجان الواحد شراكة معقدة، مجتمعًا حيًا يُسمى "الهولوبيونت" (holobiont)، حيث يستضيف حيوان المرجان عالمًا شاسعًا وغير مرئي من البكتيريا والطحالب والميكروبات الأخرى. هؤلاء السكان المجهريون ليسوا مجرد ركاب؛ بل هم شركاء أساسيون يساعدون المرجان في التغذية، والدفاع عن نفسه، والبقاء على قيد الحياة في بيئة المحيط القاسية. ومن بين هؤلاء الجيران المجهريين، برزت مجموعة محددة من البكتيريا تُعرف باسم "إندوزويكوماينوميس" (Endozoicomonas) كلاعب رئيسي. وتوجد هذه البكتيريا في أنواع مختلفة من المرجان، ويُعتقد أنها تساعد في تفكيك الغذاء، وإعادة تدوير المغذيات، وحتى إنتاج الفيتامينات لمضيفها. ومع ذلك، نظرًا لصغر حجم هذه البكتيريا واختلاطها بعدد لا يحصى من الميكروبات الأخرى، فقد كافح العلماء لعدّها بدقة في البرية. وبدون وسيلة موثوقة لقياس عدد هذه البكتيريا المفيدة الموجودة، يصعب فهم كيف تتغير صحة المرجان عندما ترتفع حرارة المحيط أو تزداد حموضته.

لسنوات، اعتمد الباحثون على أداتين رئيسيتين لدراسة هذه المجتمعات الميكروبية. إحدى الطريقتين، وتسمى "تسلسل الأمبليكون" (amplicon sequencing)، تشبه إجراء تعداد سكاني لمدينة من خلال النظر إلى لقطة لوجوه الجميع؛ فهي توضح من الموجود وتعطي فكرة تقريبية عن نسبهم، لكنها لا تستطيع إخبارك بالعدد الدقيق للأشخاص الذين يعيشون في المدينة. أما الطريقة الأخرى، وهي "تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي" (quantitative PCR)، فهي أشبه بعد كل شخص بمفرده من خلال التحقق من بطاقات هويتهم؛ فهي توفر رقمًا دقيقًا ولكنها تتطلب أداة محددة للتعرف على الشخص الذي تبحث عنه. كانت المشكلة هي أنه بينما طور العلماء طرقًا لعدّ بكتيريا "إندوزويكوماينوميس" في بعض المرجانيات الصلبة، إلا أنهم افتقروا إلى طريقة موثوقة وسريعة ودقيقة لعدّها في المرجانيات اللينة، أو للتمييز بين الأنواع المختلفة من "إندوزويكوماينوميس" التي تعيش في أنواع مختلفة من المرجان. كانت الأدوات الموجودة غالبًا واسعة النطاق للغاية، فتصطاد البكتيريا الخاطئة، أو محددة للغاية، فتفقد تلك التي كان من المفترض أن تجدها. هذه الفجوة جعلت من الصعب على العلماء تتبع كيفية تغير وفرة هذه البكتيريا الحيوية مع تعرض المرجان للإجهاد البيئي.

لحل هذه المشكلة، طور فريق من الباحثين من جامعة تايوان الوطنية وأكاديمية سينيكا طريقة جديدة عالية الدقة للعدّ. لقد ركزوا على قسم محدد من الشفرة الوراثية، وهو "باركود جزيئي" صغير يوجد في الحمض النووي للبكتيريا، لتصميم أداة كشف مخصصة. تستخدم هذه الأداة تقنية تسمى "TaqMan qPCR"، والتي تعمل عن طريق إضاءة إشارة فلورية فقط عندما تجد التسلسل الجيني الدقيق لـ "إندوزويكوماينوميس". كان على الباحثين أولاً معرفة كيفية جعل هذه الأداة محددة بما يكفي للعثور على "إندوزويكوماينوميس" دون أن تضيء بالخطأ لبكتيريا أخرى غير ذات صلة تعيش في نفس المرجان. لقد اختبروا عدة تصميمات مختلفة ووجدوا أنه من خلال ضبط درجة الحرارة التي يعمل عندها الاختبار قليلاً، استطاعوا القضاء على الإشارات الزائفة. كما جربوا تعديل البنية الكيميائية للمسبار الكاشف، بإضافة "قفل" خاص يجعل الأداة تلتصق بقوة أكبر بالهدف الصحيح وبقوة أقل بالأهداف الخاطئة.

اكتشف الفريق أنه يمكنهم إنشاء نسختين متميزتين من هذه الأداة للإجابة على أسئلة مختلفة. إحدى النسختين، المعدلة بقفل كيميائي محدد، صُممت لعدّ مجموعة رئيسية فقط من "إندوزويكوماينوميس" الموجودة في المرجانيات اللينة، بينما صُدمت نسخة أخرى لتجد مجموعة مختلفة شائعة في المرجانيات الصلبة. كما أنشأوا نسخة ثالثة أكثر مرونة قليلاً يمكنها عدّ العدد الإجمالي لـ "إندوزويكوماينوميس" عبر جميع المجموعات، لتعمل كعداد شامل. وعندما اختبروا هذه الأدوات في المختبر باستخدام عينات نقية من البكتيريا، وجدوا أن الطريقة الجديدة كانت حساسة للغاية، وقادرة على اكتشاف عشر نسخ فقط من الجين البكتيري. كما كانت موثوقة للغاية، حيث أعطت نتائج متسقة في كل مرة تُستخدم فيها.

لإثبات نجاح طريقتهم في العالم الحقيقي، طبق الباحثون هذه الطريقة على عينات مرجانية جُمعت من المياه المحيطة بتايوان. اختبروا عينات من أنواع مختلفة من المرجان اللين وقارنوا النتائج من طريقة العدّ الجديدة، التي تعتمد على التسلسل بأسلوب اللقطات، مع بيانات طريقة التسلسل القديمة. كانت النتائج مذهلة: الأرقام التي ولدتها أداة العدّ الجديدة والأكثر دقة تطابقت مع الاتجاهات الملحوظة في بيانات التسلسل بدرجة عالية من التوافق. أكد هذا أن طريقتهم يمكن أن تعكس بدقة الوفرة الحقيقية لهذه البكتيريا في الطبيعة. علاوة على ذلك، كشفت الدراسة أن أنواعًا مختلفة من المرجان اللين استضافت كميات متفاوتة تمامًا من "إندوزويكوماينوميس". فبعض الأنواع كانت تعج بهذه البكتيريا، بينما كان لدى أنواع أخرى عدد قليل جدًا، وفي بعض الحالات، كانت البكتيريا غائبة تمامًا. يشير هذا التباين إلى أن العلاقة بين المرجان وشركائه البكتيريين هي أكثر تعقيدًا وتحديدًا مما كان مفهومًا سابقًا.

تكمكم تكمن أهمية هذا العمل في قدرته على تقديم صورة رقمية واضحة لصحة المرجان. قبل هذه الدراسة، كان العلماء يمكنهم فقط التخمين بشأن أحجام مجموعات هذه البكتيريا الحيوية أو الاعتماد على طرق بطيئة ومكلفة. الآن، مع هذه الأداة الجديدة، يمكن للباحثين قياس كيفية تغير مجموعات "إندوزويكوماينوميس" استجابةً للإجهاد البيئي، مثل ارتفاع درجات حرارة المياه أو التلوث، بسرعة ودقة. هذه القدرة حيوية لفهم كيف يمكن للمرجان التعامل مع تغير المناخ. ومن خلال معرفة العدد الدقيق لهؤلاء الشركاء المساعدين، يمكن للعلماء التنبؤ بشكل أفضل بالمرجان الذي من المرجح أن ينجو والذي يعاني. كما سلطت الدراسة الضوء على أنه لا توجد أداة واحدة مثالية لكل موقف؛ حيث أظهر الباحثون أنه بينما كانت نسخة واحدة من أداتهم ممتازة لعدّ مجموعات محددة، كانت نسخة أخرى أفضل للحصول على إجمالي العدد، وأن اختيار الأداة يعتمد على السؤال المطروح.

في نهاية المطاف، يوفر هذا البحث طريقة عملية وسهلة الوصول لمراقبة العالم غير المرئي داخل الشعاب المرجانية. إنه يتجاوز مجرد تحديد أنواع البكتيريا الموجودة إلى فهم عددها، وهي خطوة حاسمة لإدارة وحماية هذه الأنظمة البيئية الهشة. الطريقة سريعة، وفعالة من حيث التكلفة، وقابلة للتكيف، مما يقدم معيارًا جديدًا للدراسات المستقبلية. ومع استمرار تغير المناخ في تهديد الشعاب المرجانية في جميع أنحاء العالم، فإن امتلاك وسيلة موثوقة لتتبع صحة هذه الشراكات المجهرية سيكون أمرًا ضروريًا لجهود الحفظ. لقد وضع الباحثون بياناتهم وأدواتهم تحت تصرف المجتمع العلمي، مما يمهد الطريق لفهم أعمق للتوازن الدقيق الذي يبقي الشعاب المرجانية على قيد الحياة.