Organisms associated with siphonophores revealed by short-read whole-genome sequencing

De open oceaan is een uitgestrekte, driedimensionale wereld waar het leven vaak voor het oog verborgen blijft. Onder de meest succesvolle bewoners zijn de siphonoforen, koloniale dieren die door het water drijven als levende strengen parels. Hoewel ze eruitzien als enkelvoudige wezens, zijn ze in werkelijkheid enorme gemeenschappen van gespecialiseerde individuen die samenwerken als één geheel. Deze geleiachtige roofdieren zijn geduchte jagers die lange, stekende tentakels gebruiken om vissen en kreeftachtigen te vangen. Maar het verhaal van een siphonofoor eindigt niet bij wat hij eet. Zijn lichaam is ook een bewegend ecosysteem dat een verscheidenheid aan andere organismen huisvest die op zijn oppervlak of binnen zijn weefsels leven. Deze metgezellen, variërend van microscopisch kleine bacteriën tot kleine parasieten, zijn moeilijk direct te bestuderen omdat ze vaak te klein zijn om te zien of te fragiel om te vangen zonder de gastheer te vernietigen. Een lange tijd wisten wetenschappers dat deze associaties bestonden, maar hadden ze weinig idee wie zij waren of hoe zij varieerden tussen verschillende soorten en oceaanregio's.

Een team van onderzoekers aan de Yale University en de Universiteit van Gdańsk vond een slimme manier om naar deze verborgen buren te kijken zonder hen afzonderlijk te hoeven vangen. Ze richtten hun aandacht op de enorme hoeveelheden genetische data die al verzameld waren voor een ander doel: het sequensen van de genomen van de siphonoforen zelf. Wanneer wetenschappers het DNA van een dier sequensen, leest de machine elk stukje genetisch materiaal dat in het monster aanwezig is. Dit betekent dat naast het eigen DNA van de gastheer, de machine ook het DNA van eventuele bacteriën, virussen, parasieten of zelfs de resten van recente maaltijden opvangt. De onderzoekers noemden deze incidentele informatie "moleculaire bijvangst". Door de ruwe data van 213 siphonofoor-exemplaren, verzameld uit verschillende delen van de wereld, opnieuw te analyseren, waren ze in staat om door de genetische code van de gastheer te zeven om de vele andere levens te identificeren die erin leven.

De onderzoekers begonnen met het opschonen van de data, waarbij ze de overweldigende hoeveelheid DNA die toebehoorde aan de siphonoforen zelf, verwijderden. Wat overbleef, was een schatkamer aan genetische handtekeningen van andere organismen. Ze ontdekten dat de bacteriegemeenschappen die op deze dieren leefden, verrassend divers waren. Onder de meest voorkomende waren groepen bacteriën bekend als Metamycoplasmataceae, kleine, celwandloze microben die ook op andere mariene dieren zoals octocorallen en waaierkoralen worden aangetroffen. De studie toonde aan dat deze bacteriën geen willekeurige passagiers zijn; hun aanwezigheid hangt af van waar de siphonofoor leeft. Zo waren specifieke typen van deze bacteriën veelvoorkomend in exemplaren uit de zuidwestelijke Pacific en de Indische Oceaan, maar waren ze zeldzaam bij die uit de centrale Pacific. Dit suggereilt dat geografie een significante rol speelt bij het vormgeven van de microbiële wereld van deze drijvende kolonies.

Naast bacteriën onthulde de genetische bijvangst een duidelijk beeld van wat de siphonoforen hadden gegeten. In exemplaren van het geslacht Physalia, dat de bekende Portugese man-o'-waar omvat, vonden de onderzoekers DNA van vissen, copepoden en andere kleine kreeftachtigen. Een bijzonder interessante vondst kwam uit een specimen verzameld in de wateren van Hawaï. Het genetisch materiaal in dit specimen kwam overeen met de alfonsino, een diepzeevis die als volwassen vis gewoonlijk nabij de oceaanbodem leeft. Aangezien de siphonofoor nabij het oppervlak leeft, duidt de aanwezigheid van het DNA van deze vis waarschijnlijk erop dat het roofdier de jongen van de vis heeft gevangen, die in de bovenste waterlagen drijven voordat ze naar de diepte zakken. Deze methode bood een directe, moleculaire bevestiging van het dieet van de siphonofoor, waardoor prooien aan het licht kwamen die anders onopgemerkt zouden blijven in traditionele studies naar de maaginhoud.

De data brachten ook een verborgen wereld van parasieten aan het licht. De onderzoekers identificeerden genetische handtekeningen van platwormen, inclusief zowel trematoden als lintwormen, die in of op de siphonoforen leefden. Deze parasieten maken deel uit van complexe levenscycli die vaak vissen omvatsen. Zo legde de studie een verband tussen larven gevonden in de siphonoforen en volwassen parasieten die in mahi-mahi en makreel leven. Deze connectie suggereert dat wanneer een vis een siphonofoor eet, hij ook de volgende fase van de parasiet doorslikt. De studie vond ook bewijs van amoeben en hun eigen interne bacteriële partners, wat wijst op een geneste hiërarchie van het leven waarbij het ene organisme in het andere leeft, wat op zijn beurt weer in de siphonofoor leeft.

Niet elk specimen leverde een rijke oogst aan informatie op. De onderzoekers merkten op dat het type weefsel dat werd bemonsterd en de wijze waarop het dier werd gepreserveerd, invloed konden hebben op wat er werd gevonden. Specimens die op stranden werden verzameld en in alcohol werden bewaard, vertoonden soms tekenen van bacteriën die mogelijk na de dood van het dier waren gegroeid, in plaats van bacteriën die met het dier leefden terwijl het nog in leven was. Ondanks deze beperkingen toonde de studie aan dat de genetische data die voor één doel zijn verzameld, een verrassend groot deel van de natuurlijke historie kunnen onthullen. Door naar de moleculaire bijvangst te kijken, kunnen wetenschappers nu de diverse cast van personages zien die het leven van een siphonofoor delen, van de microben op zijn huid tot de parasieten die wachten om aan een vis te worden doorgegeven. Deze benadering verandelt een enkel genoomproject in een venster op het gehele ecosysteem dat rond deze drijvende roofdieren bestaat, en biedt een nieuwe manier om het complexe web van leven in de open oceaan te begrijpen.