Forskningsprojekt SeaLab
SeaLab är ett samarbete mellan Stockholms universitets Östersjöcentrum och Miljögenomikgruppen vid SciLifeLab. Syftet är att förstå grundläggande mikrobiella processer i kustens ekosystem, genom att kombinera expertis inom ekologi, biogeokemi, bioinformatik och meta-omik.
Kustekosystem är högproduktiva. De hyser en hög biologisk mångfald och tillhandahåller viktiga ekosystemtjänster, bland annat som uppväxtområden för fisk och som kolsänkor, som minskar växthuseffekten.
Nyckelspelarna i de biogeokemiska kretslopp av näringsämnen och kol, som ligger till grund för dessa ekosystemtjänster, är samhällen av mikroskopiska organismer: planktoniska protister, bakterier, arkéer och virus.
I SeaLab används de senaste molekylärbiologiska metoderna inom meta-omik för att analysera prover från vatten och sediment, för att identifiera vilka mikroorganismer som lever där och vilka biogeokemiska processer de är inblandade i. Målet är att få en detaljerad förståelse för de mikrobiellt drivna processerna i kustvatten och hur de varierar i tid och rum, beroende på olika geokemiska förhållanden.
Projektbeskrivning
Havets mikrobiella processer
Våra mänskliga samhällen drar nytta av kustekosystemen för bland annat fiske, som boende- och rekreationsmiljöer och som kolsänkor som kan begränsa klimatförändringarna. I SeaLab försöker vi förstå de ekologiska och biogeokemiska processer som utgör grunden för de här ekosystemtjänsterna, på den mest basala, molekylära nivån. Vi gör det genom att kombinera biogeokemiska data från vatten och luft med olika meta-omiska analyser (storskalig analys av DNA, RNA och protein) av de mikrobiella samhällena i havet.
Syftet är att identifiera vilka mikroskopiska arter som finns i kustvattnen och vilka biogeokemiska processer de är inblandade i, och hur de beror av de geokemiska förhållandena. Utifrån denna nya kunskap kan experiment sedan utformas för att simulera hur övergödning, klimatförändringar med varmare vatten och andra miljöförändringar påverkar de mikrobiellt drivna processerna. Sådana försök kan i sin tur användas för att utveckla modeller som kan förutsäga potentiella framtida scenarion i olika förhållanden. Kunskapen kan också användas för att utveckla effektiva DNA-baserade metoder som kan vara till nytta i den marina miljöövervakningen.
Bättre förståelse för bättre förvaltning
Kustvatten har exceptionellt hög biodiversitet och produktivitet. De fungerar bland annat som uppväxtmiljöer för fisk och som kolsänkor som minskar växthuseffekten. Samtidigt är de känsliga miljöer som ofta är negativt påverkade av mänskliga aktiviteter som ger övergödning, föroreningar och klimatuppvärmning. Det leder till omfattande cyanobakterieblomningar, syrebrist, minskad biodiversitet och minskande fiskbestånd. Kustekosystem har vanligtvis betraktats som kolsänkor, men ny forskning tyder på att dessa ekosystem också kan släppa ut betydande mängder växthusgaser, som metan och möjligen också lustgas.
Källan till dessa utsläpp är mikrobiologiska processer. Men det är oklart hur dessa processer regleras och i vilken grad de sker i olika delar av den marina miljön. För att maximera nyttan av kustekosystemen och kunna förvalta dem på bästa sätt, behöver vi förstå de här mikrobiologiska processerna bättre.
Meta-omik på fältprover
Vi vet mycket om djuren, växterna och makroalgerna i kustekosystemen, men mycket mindre om mikroorganismerna, som planktoniska protister, bakterier, arkéer och virus, trots deras viktiga roll i omsättningen av näringsämnen och kol.
Mikroorganismer lever i komplexa samhällen där olika arter ofta är beroende av varandra. Det gör dem svåra att isolera och odla på laboratorium. För att komma runt det, kan man istället analysera fältprover av de mikrobiella samhällena direkt med så kallade meta-omiska metoder. Genom att analysera DNA kan man identifiera och kvantifiera olika arter, och rekonstruera arvsmassorna (genomen) av nya, okända arter. Genom att analysera mRNA (budbärar-RNA), proteiner och metaboliter på motsvarande sätt kan man studera organismernas aktivitet och hur denna aktivitet varierar över tid och rum i olika geokemiska förhållanden.
Kombination av omik, bildigenkänning och biogeokemiska data
För att få en detaljerad förståelse för hur kustekosystem fungerar, undersöker SeaLab mikrobiella samhällen i förhållande till biogeokemiska processer och näringscykler. Metoderna som används kallas metagenomik (för att kartlägga DNA), metatranskriptomik (för att kartlägga mRNA), metaproteomik (för att kartlägga proteiner) och metabolomik (för att kartlägga metaboliter från organismernas ämnesomsättning). Med dessa metoder kan mikroorganismernas genom rekonstrueras, funktionella gener identifieras och den metaboliska aktiviteten i de mikrobiella samhällena mätas.
Metoderna kommer att användas både på vatten- och sedimentprover och kanske även på ytan av makroalger och bottenlevande djur. Vi kommer också att använda bildigenkänningsteknologi under vattnet för att identifiera och kvantifiera mikroskopiska organismer. Datan kommer sedan kopplas till biogeokemiska mätningar (av bl.a. växthusgaser) i vattnet och i luften precis över havsytan, för att ta reda på hur de geokemiska förhållandena påverkar och påverkas av mikroberna.
Klimatpåverkande utsläpp från mikrober
Till att börja med kommer vi att rikta in oss på mikroorganismer som producerar och omvandlar växthusgaser och så kallade flyktiga organiska föreningar (VOC:er). Växthusgasernas effekt på klimatet är välstuderade, medan effekterna av de flyktiga organiska föreningarna, och vad som driver bildandet av dem i kustekosystemen, är mindre känt. Vi vet att mikrober spelar en nyckelroll i omsättningen av dessa ämnen, men det är oklart hur processerna regleras och i vilken grad de sker i vatten, sediment och i gränssnittet mellan luft och hav. Genom att kvantifiera växthusgaser och VOC:er och identifiera de mikroorganismer och metaboliska aktiviteter som ger upphov till dem, vill vi öka kunskapen om utbytet av kol mellan atmosfären och havet och den roll kustekosystemen spelar för atmosfärens kemi och för regleringen av klimatet.
Kontakta oss:
Är du intresserad av mikrober och av att använda mikrobiell meta-omik i din forskning? Välkommen att höra av dig!
Projektmedlemmar
Projektansvariga
Christoph Humborg
Professor
Medlemmar
Emma Bell
Forskare
Alexis Armando Fonseca Poza
Postdoktor
Matthew Salter
Stabsforskare
