解碼舊金山灣口神秘微生物的基因組

主要要點

• 雖然專家知道微生物會影響重要過程，如養分在環境中的循環和有害藻華的形成，但目前對生活在敏感的舊金山灣口生態系統中的微生物物種了解甚少。

• 研究人員勞倫·劉（Lauren Lui）正在組建一個包含灣口中微生物完整基因組的數據庫，這個數據庫可以用於追蹤哪些微生物存在、它們在做什麼，以及它們如何適應環境變化。

• 這種理解可以用來生成預測灣口動態的模型，預測藻華的發生時間和地點，並為防止未來藻華及其他威脅制定政策。

薩克拉門托-聖華金河三角洲的生態系統在幾乎持續的人為干擾中得以延續，這些干擾包括對該地區自然水文和鹽度的強烈干預、引入物種的到來和高水平的農業徑流。然而，氣候變化對這個已經敏感的生態系統提出了日益嚴峻的挑戰。在2022年，較高的溫度和持續的乾旱創造了條件，導致了一次創紀錄的有毒藻華，這場藻華使數以千計的魚類死亡，並將舊金山灣的水域——從埃默里維爾到阿爾巴尼——變成深紅褐色。

這就是為什麼勞倫·劉（Lauren Lui），美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究科學家，決心揭示三角洲的微觀生命如何影響該地區的生態健康以及加州飲用水的質量。劉在伯克利實驗室的生物科學區進行研究，利用最新的測序技術，計劃建立一個包含灣口微生物完整基因組的數據庫。這個數據庫將幫助科學家發展對微生物如何響應環境變化的預測性理解。

“在土壤和水中有這麼多小東西影響著我們，這讓我感到著迷，”劉說。“我們試圖了解這裡發生了什麼，以及一切是如何協同運作以引發這些有害藻華的。如果我們能夠弄清楚系統的臨界點和關鍵因素，那麼這將能為管理我們的生態系統提供政策依據。”

加州中央走廊的微小缺失拼圖

在薩克拉門托-聖華金河三角洲藍綠色的水域中，加州水資源部（DWR）運營的研究船“哨兵號”（Sentinel）的一 crew 正在忙碌著準備出航，展開他們的每月環境監測。

“水的顏色開始告訴你那裡有什麼。微生物正在利用陽光生長，”劉在“哨兵號”上調查三角洲的微生物時說。她眺望甲板外的景象，這裡舊金山灣的鹽水與薩克拉門托河和聖華金河混合，形成了西海岸最大的河口。面前展開的是一片鬱鬱蔥蔥的島嶼，綠意與南岸工廠煙囪、儲存集裝箱和電力塔形成對比。釣魚小艇與吠叫的海獅、嘹亮的海鷗及成群的候鳥共同存在，大家都因為對條紋鱸魚、鯰魚、虹鱒、帝王鮭和鱘魚的共同喜好而短暫聚集於此。

“參與這個項目確實讓我看到了這裡發生的許多事情。”

— 勞倫·劉（Lauren Lui）

劉不僅在薩克拉門托長大，而且在該地區擁有六代的深厚家族根基。“當我乘坐美鐵（Amtrak）從伯克利到薩克拉門托探望我的家人時，我總是看到窗外的聖巴布羅灣，”劉說。“但參與這個項目確實讓我看到了這裡發生的許多事情。”

雖然從高速公路上很容易忽視，但這個地方是加州水資源基礎設施的樞紐，為全州三分之二的人口和一個價值500億美元的農業產業提供淡水，這個產業服務於整個國家。從舊金山灣區一直到聖地牙哥的利益相關者依賴於州和聯邦機構小心運作的複雜堤壩網絡，這些堤壩促進水流通過三角洲並維持鹽水和淡水之間的適當平衡。

負責今天外出的水資源部（DWR）是一個這樣的州機構。由於他們的使命是為數百萬人提供淡水並保護聯邦保護的三角洲鳥類和魚類，因此他們對於理解藻華的觸發因素有著切身的利益。科學家一般知道，當水中養分過剩時，藻類便會迅速增長並隨後死亡，並且較高的溫度會增加藻華的發生概率。但專家們仍然無法預測下一次藻華可能發生的地點和時間，也無法預測其對人類和野生動物的危害程度。

劉和DWR的高級環境科學家泰德·弗林（Ted Flynn）認同，這至少部分是因為很少，甚至沒有調查定期收集有關河口最小居民的數據：微生物。弗林負責一個聯邦和州聯合監測計劃，該計劃已經進行了近50年的每月取樣巡航。但儘管他們收集的長期水質和生物數據有助於檢測環境中的大規模變化，DWR目前用來追踪浮游動物和浮游植物的方法卻對細小的生物如細菌、古菌和病毒提供了有限的信息——這些微生物在整個生態系統中扮演著關鍵的角色，負責將氮和磷等養分循環利用。因為這些關鍵元素的水平可以調節藻華的形成，了解哪些微生物群落存在以及它們是如何運作的對於發展藻華和其他威脅的預測模型可能至關重要。

“在我們能看到的東西和看不見的東西之間存在一個知識差距，”弗林說。“而且在沒有微觀的情況下，我們無法理解宏觀。”

解碼未被看見的微生物

專家對這些微小能量角色並未有更多了解，這可能令人驚訝。但是，像水資源部（DWR）這樣的機構不監測微生物也有其原因。

“除了在顯微鏡下觀察它們之外，我們研究微生物的一種主要方法，就是分析它們的基因組，”劉說。

在實驗室中，孤立和培育單個微生物通常不切實際，因此劉採用環境基因組學，這涉及從環境中收集水和沉積物樣本，對樣本中的所有DNA進行測序，然後解析出哪些物種存在及其代謝能力。然而，當一滴水可能包含數百或數千種微生物物種時，這可不是件簡單的事。

“把每個物種及其基因組想像成一個不同的拼圖。想像把所有這些拼圖都倒進一個盒子裡。更糟糕的是，所有這些拼圖接著都經過一個攪拌機，所以碎片變成了小碎片。然後試著把所有這些拼圖單獨拼裝起來。這基本上就是環境基因組學，”劉解釋道。

即使使用最新的長讀取測序技術——這種技術基本上提供了更大的拼圖碎片來進行拼裝——這個過程也需要特殊的專業知識和設施。幸運的是，憑藉她在微生物學和生物信息學方面的背景，以及伯克利實驗室的支持，劉迎接了這一挑戰。

“在伯克利實驗室進行這項研究非常理想。不僅是這有助於我們研究和管理一個位於我們家門口的資源，這項工作沒有實驗室的一些計算和測序資源根本無法完成，”劉說，提到國家能源研究科學計算中心（NERSC）和聯合基因組學研究所（JGI），這兩者都是伯克利實驗室的美國能源部科學辦公室用戶設施。

挖掘DNA

劉為能夠提供知識，幫助像水資源部（DWR）和她的另一個合作者美國地質調查局（USGS）更好地管理河口的自然資源感到自豪。然而，這些合作關係遠非單向。首先，她不會有機會使用船隻，更別提能夠專門用於生物監測的船隻了。除了化學試劑和任何濕實驗室中都能找到的整齊標籤的玻璃燒杯外，“哨兵號”（Sentinel）還配備有一個特殊的進水口，可以直接從河流中抽水，並將其泵入一個定制的實驗室進行分析，並在船上的水槽中收集樣本。到達當天在格里茲利灣（Grizzly Bay）靠近蘇辛斯拉夫（Suisun Slough）的第一個停靠點後，劉從這個水龍頭收集她的第一批樣本。雖然充滿塑料容器的水看起來很清澈，但它卻充滿了微觀細菌、古菌和病毒，其DNA能為劉提供這個地點微生物群落的快照。

在甲板上，船員使用起重機從河底抓取沉積物，並將其放入一個大型過濾容器中。劉和DWR的底棲專家貝茜·威爾斯（Betsy Wells）興奮地彎下腰，朝著裝滿珍貴泥土的木箱覷去。

當威爾斯專注於棲息在沉積物中的蚌類和其他無脊椎動物時，劉則在泥土中尋找隱藏於沙子、粉沙和其他碎片顆粒之間的微觀生命。

“這真是太棒了，”劉一邊說，一邊在泥土堆頂部刮去一層深褐色的粉沙，然後再拿起另一個收集管來抓取更深處的材料。除了她已經收集的水樣之外，劉還會將每一層沉積物單獨測序，以專注於生活在不同地層中，並具有不同生態角色的微生物。

從泥土到模型

回到伯克利實驗室，劉為長讀取測序準備樣本，這是組建這些基因組拼圖的第一步。這種方法涉及對盡可能多的長DNA片段進行重複測序，以編輯每個生物的完整基因組。

“獲得完整的基因組而不僅僅是片段對於理解每個生物的全部能力、功能和生存需求至關重要，”劉說。“重疊的片段越多，你對基因組正確性的信心就越高。”

一旦劉知道不同物種在其基因組中擁有哪些基因，她就可以尋找這些生物可能的功能線索。例如，她可能會留意與氮循環處理相關的基因，因為環境中循環的氮量與藻華有關。

現在，劉專注於建立河口微生物的基線數據庫。未來的樣本可以與數據庫中的完整基因組進行匹配，顯著減少組裝它們所需的測序和計算能力。這項初步工作，包括最近發表的研究，展示了劉的方法的概念驗證，將使劉更可行地隨時間追踪微生物群落和不同地點的變化，以觀察它們如何適應環境變化。

“微生物如何對氣候變化或因干旱引起的鹽度增加作出反應——這些都是我們可以通過測序追蹤的事情，”劉說。

基因組還可以提供有關微生物為何或如何進化的見解。

“物種之間如何互動以及與環境的關係影響了哪些性狀被傳遞下去，然後我們可以在基因組中看到這些變化，”她說。“微生物的進化可以在幾天或幾週的時間尺度上發生，特別是在極端條件下。我們不知道我們所做的——無論是氣候變化還是我們排放到水中的物質——如何影響它們。”

了解微生物的存在、功能以及它們如何響應變化環境的知識將有助於創建更詳細的河口動態預測模型。最終，這些模型可以為政策決策提供信息，限制不同季節的農業投入或其他營養污染源，或者使機構能夠調整其他參數，例如在高風險時期補償鹽度。

“我希望在10到20年內，我們能夠進行幾次測量，預測有害藻華將發生的時間和地點，了解水質可能不佳的地方，以及知道減緩這些事件的關鍵因素，”劉說。“在我成長的這個地區進行重要的研究對我而言意義重大。身處船上，看到水——我們可能視而不見，但一旦水質變壞，就可能消失。我們必須好好照顧它。”

這項研究得到了伯克利實驗室的實驗室導向研究與發展計劃的支持。這項工作的部分內容是在美國能源部聯合基因組研究所（Joint Genome Institute）進行的，該機構是美國能源部科學辦公室支持的用戶設施。

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