Analizzando guadagni e perdite nei geni di campioni di fitoplancton raccolti in tutte le principali regioni oceaniche, ricercatori dell'Università della California, Irvine ha creato la mappa più sfumata e ad alta risoluzione finora per mostrare dove questi organismi fotosintetici prosperano o sono costretti ad adattarsi a quantità limitate di nutrienti chiave, azoto, fosforo e ferro.

Nell'ambito della nuova iniziativa Bio-GO-SHIP, gli scienziati dell'UCI hanno effettuato otto dispiegamenti su sei diverse navi di ricerca, trascorrendo 228 giorni in mare nell'Atlantico, Oceano Pacifico e Indiano. Hanno generato quasi 1, 000 metagenomi oceanici da 930 località in tutto il mondo, con una distanza media tra i punti di raccolta di 26,5 chilometri (circa 16,5 miglia).

In uno studio pubblicato oggi in Scienza , i ricercatori dell'UCI spiegano come hanno usato una grande quantità di informazioni incorporate nei geni microbici, in particolare dalle specie di fitoplancton Prochlorococcus, come biosensore della salute e della produttività degli oceani. Gli oceanografi che lavorano in questo campo sono molto interessati a capire come questi organismi si adattano allo "stress da nutrienti, "che è la lotta per trovare o utilizzare le sostanze essenziali di cui hanno bisogno per crescere e riprodursi.

"Il fitoplancton è fondamentale per la rete trofica marina, e sono responsabili di circa la metà della fissazione globale di anidride carbonica su base continuativa, quindi la salute e la distribuzione di questi organismi è molto importante, ", ha affermato il coautore senior Adam Martiny, Professore UCI di scienze del sistema terrestre. "Le conoscenze acquisite in questi viaggi aiuteranno i climatologi a fare previsioni più solide sul ruolo del fitoplancton nella regolazione degli stock di carbonio nell'atmosfera e negli oceani".

Poiché il fitoplancton microbico vive in grandi popolazioni e ha cicli di vita rapidi, i ricercatori suggeriscono che i cambiamenti nella composizione della comunità e nel contenuto genomico possono fornire un avvertimento precoce sulle trasformazioni ambientali e farlo molto più velocemente rispetto alla semplice analisi della fisica e della chimica dell'oceano.

"Azoto, la limitazione di fosforo e ferro in molte regioni oceaniche di superficie è quasi impossibile da rilevare attraverso l'analisi chimica dei campioni d'acqua; le quantità di questi elementi sono semplicemente troppo basse, " ha detto l'autore principale Lucas Ustick, uno studente laureato UCI in ecologia e biologia evolutiva. "Ma quantificando i cambiamenti nei geni di Prochlorococcus coinvolti nell'assorbimento dei principali nutrienti, e loro combinazioni, fornisce un forte indicatore della geografia dello stress nutritivo."

Gli autori hanno sottolineato che tutti i genomi di Prochlorococcus includono un certo gene che consente al fitoplancton di assimilare direttamente il fosfato inorganico liberamente disponibile nell'acqua di mare. Ma quando questo composto scarseggia, il fitoplancton si adatta acquisendo un gene che consente alle cellule di assorbire il fosforo organico disciolto, che possono essere rilevati nel loro genoma.

I ricercatori hanno anche studiato numerosi altri esempi di adattamenti genetici per diversi livelli di fosforo, ferro e azoto nell'ambiente per vedere che tipo di compromessi fa continuamente il fitoplancton. Il risultato è una mappa globale dello stress da nutrienti. I ricercatori sono stati anche in grado di identificare le regioni in cui il fitoplancton sperimenta un co-stress che coinvolge due o più elementi, uno di questi è quasi sempre l'azoto.

Il lavoro del team ha rivelato l'Oceano Atlantico settentrionale, Mar Mediterraneo e Mar Rosso come regioni con elevato stress da fosforo. I genotipi adattati allo stress da azoto sono diffusi nelle cosiddette regioni oligotrofiche dove i nutrienti sono bassi e l'ossigeno è alto, e i risultati del campionamento della ricerca suggeriscono un adattamento diffuso allo stress da ferro.

L'analisi dei genotipi del fitoplancton ha confermato modelli biogeografici noti di stress nutritivo stimati con diverse tecniche, ma ha anche rivelato regioni precedentemente sconosciute di stress nutritivo e co-stress. I ricercatori avevano una scarsa conoscenza dello stress da nutrienti nell'Oceano Indiano prima della loro analisi metagenomica, ma il loro lavoro ha contribuito a riempire molti vuoti. Ora sanno che la regione di risalita del Mar Arabico è un'area di un certo stress da ferro, e hanno rilevato lo stress da fosforo associato alle correnti oceaniche che scorrono verso sud, tra molti altri ritrovamenti.

Ancora, dicono, c'è sempre altro da imparare.

"Il nostro lavoro evidenzia le lacune nelle nostre misurazioni di ambienti ad alta latitudine, nella maggior parte dell'Oceano Pacifico, e negli ecosistemi di acque più profonde, " ha detto la co-autrice Alyse Larkin, Ricercatore post-dottorato UCI in Scienze del Sistema Terra. "I progressi che abbiamo fatto nelle nostre recenti spedizioni ci ispirano a partire e coprire l'intero pianeta".