El primer catálogo genético global del microbioma del océano

La expedición Tara Oceans describe la diversidad planctónica desconocida de los océanos en el planeta. Los primeros resultados de este proyecto, en el que participan investigadores del ICM-CSIC, han sido publicados en cinco artículos en Science. Este primer catálogo genético global del microbioma oceánico incluye varios millones de genes, el 80% de los cuales son totalmente nuevos para la ciencia.

 Entre 2009 y 2013 se realizó la expedición internacional Tara Oceans, con más de un centenar de científicos de 31 centros y laboratorios, y un ambicioso objetivo: estudiar el plancton de los ecosistemas marinos, no sólo para identificar los microorganismos que lo conforman, sino  para entender como interaccionan entre ellos y con el resto del entorno. Para ello, circunnavegaron el planeta y recogieron unas 35.000 muestras en diferentes océanos y estaciones del año. Ahora, los resultados se publican en un número especial de la revista Science, desglosados en cinco artículos.

Mapa de la expedición Tara Oceans, con los puntos de parada y muestreo.

El proyecto Tara Oceans tiene entre sus coordinadores científicos a Silvia G. Acinas, del Instituto de Ciencias del Mar (ICM) del CSIC. Acinas  ha liderado el estudio sobre el Microbioma del Océano junto a investigadores del European Molecular Biology Lab (EMBL)  de Alemania (Shinichi Sunagawa, Peer Bork y Eric Karsenti) y del Instituto Vlaams de Biotecnologia (VIB) de Bélgica (Jeroen Raes). Además, un buen número de investigadores del ICM-CSIC han participado en estos trabajos.

“Una de las hazañas de Tara Oceans ha sido describir la diversidad microbiana (virus, bacterias, arqueas y protistas) a escala global y a un nivel de resolución antes impensable, gracias al uso de la secuenciación masiva de ADN y ARN”, afirma Silvia G. Acinas.  Además del impacto de los factores ambientales sobre el plancton, también se ha estudiado  el efecto de los remolinos oceánicos en las estructuras de las comunidades planctónicas.

El plancton oceánico es esencial para nuestro planeta: produce la mitad del oxigeno, es un sumidero de carbono, influye sobre el clima y forma la base de la cadena trófica marina de la que se alimentan peces y mamíferos marinos.

“Más allá de la ciencia de vanguardia que se ha desarrollado gracias a nuestro trabajo en colaboración con la Fundación Tara Expéditions, esta aventura trata de mostrar lo importante que es el océano para nuestro bienestar”, explica Eric Karsenti, jefe científico de la expedición Tara Oceans, y del EMBL y el CNRS.

Un legado para las futuras generaciones

La investigación pionera de Tara Oceans se ha centrado en la “dermis” del océano: desde las aguas superficiales hasta los 900 metros de profundidad (zona mesopelágica). Se han tomado hasta 35.000 muestras, a diferentes profundidades, y en diferentes océanos y mares, cubriendo  las principales regiones oceánicas del planeta, excepto el Ártico Todas las muestras fueron recogidas por duplicado, de forma que puedan volver a ser analizadas en el futuro cuando se disponga de tecnologías más avanzadas.

En el artículo que lidera la investigadora del ICM-CSIC Silvia G. Acinas (Structure and Function of the Global Ocean Microbiome), se presentan los resultados del análisis de 243 muestras procedentes de 68 estaciones globales de Tara Oceans. El análisis metagenómico ha dado como resultado una cantidad de 7,2 trillones de pares de bases de ADN de las comunidades microbianas marinas: tiene 1.000 veces más secuencias de ADN que cualquier estudio previo de diversidad marina o de secuenciación del microbioma de otros ambientes, y supera incluso el análisis del microbioma humano de más de 1.000 personas.

Es la mayor base de datos de las existentes, con 1.000 veces más secuencias de ADN que cualquier otro estudio previo de diversidad marina o de microbioma

Ese volumen de secuencias contenía inicialmente 111 millones de genes.  Una vez descartadas las secuencias duplicadas, queda un catálogo genético microbiano de algo más de 40 millones de genes, de los cuales el 80% de ellos es totalmente nuevo para la ciencia.

“Esta base de datos y la colección de muestras son un legado para la comunidad científica y para las futuras generaciones”, afirma Acinas. Este catálogo genético servirá de base para futuros estudios de modelos relacionados con el cambio global y funcionamiento de nuestros ecosistemas marinos.

“Estamos entusiasmados con el hecho de que un 80% de los genes identificados son nuevos, es decir que no se habían descrito anteriormente en las bases de datos públicas de genes” remarca el Dr. Josep M. Gasol, profesor de investigación del ICM-CSIC. De los 40 millones de genes, más de la mitad corresponderían a bacterias  (58,8%), y el resto a virus (5,4%), arqueas (2%), y a pequeños eucariotas unicelulares y multicelulares (3,3%). El resto de los genes, aproximadamente un 28%, no se sabe todavía a qué grupo de organismos puede pertenecer.

Más diferencia por la temperatura que por distancia geográfica

Microorganimos delplancton observados al microscopio. Imagen: Tara Oceans

El grupo de la Dra. Acinas sew ha centrado en el studio de las bacterias y arqueas marinas, el bacteriplancton marino, que es extraordinariamente abundante: alrededor de 1029  células en el océano (más que estrellas conocidas en el universo),  o un millón de células en un mililitro de agua. “Hemos analizado 243 muestras, lo que nos ha permitido describir la diversidad de estos microorganismos en el océano global y estimamos que existen un mínimo de 35.000 taxones o posibles especies procariotas (bacterias y arqueas)”, comenta el estudiante de doctorado Guillem Salazar.

Una de las preguntas que se hacían los investigadores era si los microorganismos marinos eran muy diferentes entre las distintas regiones oceánicas. Francisco M. Cornejo, estudiante de doctorado, explica que un hallazgo interesante ha sido observar que lo que marca más las diferencias no es la localización física sino la profundidad y la temperatura. “Comunidades microbianas que están separadas miles de kilómetros entre sí, son más parecidas entre ellas que otras comunidades microbianas que están en sitios cercanos pero a diferente temperatura”, dice este investigador.

Que la temperatura tenga un papel fundamental en la distribución de los microorganismos tiene especial importancia en relación al cambio climático

“Que la temperatura tenga un papel fundamental en la distribución de los microorganismos ya se sabía en estudios a pequeña escala pero  nosotros lo hemos corroborado en un contexto global. Esto  tiene especial importancia en relación al cambio climático ya que pequeñas variaciones de temperatura pueden tener un efecto en la diversidad y estructura de dichas comunidades microbianas”, remarca Silvia G. Acinas.

Función de los genes

Los científicos también estaban intrigados sobre la función de los genes del microbioma oceánico y sobre si había diferencias entre los diferentes ecosistemas.  Aquí, uno de los resultados más sorprendentes, dice Silvia G. Acinas, ha sido detectar que “un 67% de los genes que conocemos del microbioma del océano son compartidos por todas las bacterias y arqueas marinas, lo que supone una gran redundancia funcional entre ellos”.  Eso implica, sigue explicando Acinas, “que son funciones comunes a muchos microorganismos, que se han conservado y se mantienen siempre, funciones que tienen que ver con mecanismos comunes como la replicación celular, la transcripción de ADN o la síntesis de proteínas”.

En cambio, sólo una pequeña parte de los genes del microbioma del océano (un 4%) presenta una gran variabilidad entre las muestras, y tiene que ver con funciones relacionadas con las adaptaciones locales, como el tipo de luz que se recibe o adaptación a vivir en agregados. Es en esta pequeña parte de los genes donde reside el potencial de adaptación y lo que explica la resiliencia de las comunidades microbianas marinas.

Organismos del plancton. Imagen de Christian Sardet. Tara Oceans

De virus a protistas: estudiando la totalidad del plankton

Los análisis realizados en la expedición Tara Oceans y, posteriormente, en el laboratorio, han supuesto un notable desarrollo de técnicas experimentales. Gracias a diferentes sistemas de filtros y de mallas, se ha dividido el plancton en 7 fracciones, que de menor a mayor tamaño corresponden a virus, girus o virus gigantes, bacterias, protistas – un gran grupo de microorganismos eucariotas que incluye desde organismos unicelulares hasta organismos multicelulares-  y zooplancton. Esta metodología ha permitido analizar todo el espectro de organismos que forman el plancton.

Además de técnicas bien conocidas, como la citometría de flujo o la microscopía, se han utilizado métodos automáticos de detección y reconocimiento de imagen para identificar los organismos morfológicamente. Para los análisis genómicos (DNA y RNA) se han aplicado las últimas tecnologías de secuenciación masiva, remarca Isabel Ferrera.

Otro de los trabajos de Tara Oceans publicados en Science se centra en el estudio de la diversidad de virus, liderado el americano Matthew B. Sullivan y en el cual también participa Acinas. Los virus tienen un papel fundamental para el mantenimiento de la diversidad microbiana. En este trabajo  se ha usado una metodología  gracias a la cual han podido recuperar y analizar hasta el 90% de los virus que forman parte del plancton, una mejora sobresaliente frente a las técnicas convencionales de filtración tangencial con las que se pierde una gran parte de esos virus. Como resultado han podido detectar mas de 5.000 poblaciones de virus en 43 puntos estaciones de Tara Oceans.

Image:Tara Expeditions

La diversidad de los protistas eucariotas unicelulares ha sido examinada en el artículo  liderado por Colomban de Vargas, investigador del CNRS (Francia). Han obtenido 766 millones de secuencias del gen 18S rRNA, y han descubierto que su diversidad es mucho mayor de la que pensaban. De estos microorganismos, que habían quedado en el olvido durante mucho tiempo, han evolucionado todos los organismos superiores. “Estos eucariotas son sorprendentemente diversos e importantes para el funcionamiento del ecosistema oceánico. Hemos identificado al menos unos 150.000 taxones de protistas", añade Ramiro Logares, científico del ICM-CSIC.

Qué interactua con qué

Gracias a novedosos modelos de computación, los investigadores han podido predecir como los diversos organismos planctónicos interactuan. Después, algunas de estas predicciones han podido confirmarse a través de observaciones con microcopia.

Este trabajo, liderado por Jeroen Raes del laboratorio VIB, de la universidad KU Leuven  y de la Vrije Universiteit Brussel (Bélgica), sugiere un hallazgo inesperado. “Cuando hemos cartografiado como los organismos planctónicos –desde virus hasta larvas de pequeños animales- interactúan unos con otros, hemos descubierto que la mayoría de esas relaciones son parasitarias, reciclando nutrientes que vuelven de nuevo a la cadena trófica”, dice el Dr. Raes. Este mapa es el primer paso hacia un mejor conocimiento de la dinámica y la estructura del ecosistema marino global.

Participación del ICM-CSIC

El equipo del ICM-CSIC. De izquierda a derecha: Ramiro Logares, Isabel Ferrera, Marta Royo-Llonch, Pablo Sánchez, Silvia G. Acinas, Guillem Salazar, Marta Sebastián, Josep M. Gasol, Francisco M. Cornejo y Ana M. Cabello.Un buen número de investigadores del Instituto de Ciencias del Mar del CSIC ha participado en los trabajos de Tara Oceans. Por un lado, el grupo de la Dra. Acinas, con  Francisco M. Cornejo, Marta Royo-Llonch y Guillem Salazar. También han participado los investigadores Ana M. Cabello, Isabel Ferrera, Elena Lara, Ramiro Logares, Pablo Sánchez, Hugo Sarmento, Marta Sebastián y el profesor de investigación Josep M. Gasol. Además, el Instituto de Ciencias del Mar del CSIC ha actuado como repositorio, y almacena unas 4.600 muestras e la expedición, para futuros estudios de bacterias y arqueas marinas.

Claves de los resultados

 

Artículos de referencia

Sunagawa, Coelho, Chaffron, et al. Structure and Function of the Global Ocean Microbiome.
DOI: 10.1126/science.1261359

De Vargas, Audic, Henry, et al. Eukaryotic plankton diversity in the sunlit global ocean.
DOI: 10.1126/science.1261605

Lima-Mendez, Faust, Henry et al. Determinants of community structure in the global plankton interactome.
DOI: 10.1126/science.1262073

Villar, Farrant, Follows et al. Environmental characteristics of Agulhas rings affect inter-ocean plankton transport.
DOI: 10.1126/science.1261447


Brum, Ignacio-Espinosa, Roux et al. Global patterns and ecological drivers of ocean viral communities.
DOI: 10.1126/science.1261498