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

De oceaan is een uitgestrekt, verschuivend landschap waar de kleinste organismen de grootste systemen aansturen. Onder deze organismen behoren de diatomeeën zich tot de microscopische algen die de basis vormen van mariene voedselwebben, waarbij ze zonlicht opvangen en dit omzetten in energie die het leven van het oppervlak tot in de diepte in stand houdt. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd te begrijpen hoeveel van deze minuscule planten er op elk gegeven moment aanwezig zijn en hoe actief ze groeien. Traditionele methoden vertrouwden op het bekijken van de oceaan vanuit de ruimte om groene pigmenten te meten of op het nemen van watermonsters om cellen onder een microscoop te tellen. Hoewel deze benaderingen nuttig zijn, missen ze vaak de snelheid en het detail dat nodig is om snelle veranderingen in het water waar te nemen, waardoor er hiaten ontstaan in ons begrip van hoe deze cruciale organismen op hun omgeving reageren.

Om dit gat te vullen, hebben onderzoekers zich gericht op het genetisch materiaal dat in het water zelf zweeft. Elk organisme laat stukjes van zijn DNA achter, de instructiehandleiding voor het leven, en zijn RNA, de actieve kopie van die instructies die cellen gebruiken om eiwitten te bouwen en dagelijkse functies uit te voeren. Door dit omgevingsgenetische materiaal te analyseren, kunnen wetenschappers niet alleen detecteren wie er aanwezig is, maar ook wat zij doen. Een nieuwe studie richt zich op een specifief gen dat in diatomeeën voorkomt en dat essentieel is voor fotosynthese, het proces waarbij zij licht omzetten in voedsel. De onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om dit gen snel te vinden en te tellen, zonder dat daarvoor de complexe, hogetemperatuurapparatuur nodig is die normaal gesproken voor dergelijke taken vereist is.

Het team heeft een test ontwikkend die werkt bij een constante, lage temperatuur, waardoor deze resultaten kan produceren in minder dan vijftien minuten. Deze methode, bekend als recombinase polymerase amplificatie, werkt als een moleculaire fotokopieermachine die miljoenen kopieën van een specifieke genetische sequentie uit een klein watermonster kan maken. De onderzoekers hebben deze tool getest op een grote verscheidenheid aan typen diatomeeën om ervoor te zorgen dat deze ze allemaal nauwkeurig kon herkennen. Vervolgens namen ze de tool mee naar de Baai van Napels, Italië, waar ze in de loop van de tijd watermonsters verzamelden en hun nieuwe genetische metingen vergeleken met traditionele celtellingen, satellietbeelden van oceaankleur en directe metingen van de hoeveelheid koolstof die de diatomeeën vastlegden.

De resultaten toonden aan dat de nieuwe test het aantal diatomeeën in het water kon volgen over een enorme reeks, van zeer schaarse populaties tot dichte bloeiperiodes, waarbij de tellingen die onder een microscoop werden gezien, overeenkwamen. De genetische data boden echter een diepere laag aan inzichten. Door naar het DNA te kijken, dat de totale hoeveelheid organismen vertegenwoordigt, en naar het RNA, dat het actieve werk vertegenwoordigt dat door die organismen wordt verricht, konden de onderzoekers zien hoe de diatomeeën veranderden met de seizoenen. In de winter, wanneer het licht schaars was en er minder diatomeeën aanwezig waren, bevatten de resterende cellen meer kopieën van het fotosynthesegen en meer groen pigment. Dit suggereert dat de diatomeeën hun interne machinerie stimuleerden om zoveel mogelijk licht op te vangen, zelfs toen hun totale aantallen waren gedaald.

Bovendien kwam de hoeveelheid actief genetisch materiaal, of RNA, die in het water werd gevonden, direct overeen met de snelheid waarmee de diatomeeën koolstof vastlegden. Deze connectie stelde de onderzoekers in staat om specifieke groepen diatomeeën te identificeren die harder werkten dan anderen, waardoor verschillen in hun metabole activiteit aan het licht kwamen die standaardtellingen zouden missen. De studie demonstreert dat deze snelle, op lage temperatuur werkende genetische test een betrouwbare manier is om zowel de abundantie als de fysiologische staat van diatomeeën in de oceaan te monitoren. Het biedt een praktische tool voor het observeren van het mariene leven in realtime, wat een duidelijker beeld geeft van hoe deze vitale organismen functioneren en zich aanpassen aan de veranderende omstandigheden van de zee.