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微生物基因组学, 农业基因组学, 社区

有毒藻类大量繁殖的现象越来越频繁。测序可以帮助管理它们。

南加州的科学家们如何阻止藻类爆发

有毒藻类大量繁殖的现象越来越频繁。测序可以帮助管理它们。
2021年9月17日

这个夏天出现了史无前例的高温和海藻疯长现象。在全美数以百计的海滩、湖泊和河流边,公众都看到了标语,就像加州北部亨斯利湖(Hensley Lake)边张贴的标语:“这片水域可能存在有害藻类。”

虽然蓝绿藻(即蓝藻)自然存在于水中,但当其脆弱的生态平衡被破坏时,它们就会变得危险并疯长,出现水华现象,产生毒素,危害人、宠物和牲畜。

这正是藻类生物学家Jayme Smith博士决心要阻止的公共卫生突发事件。她和 南加州海岸带水研究项目的同事们一起度过了一个夏天,这是一个监测该地区水生系统的公共机构,试图阻止藻类爆发。从6月到9月,每隔一周,她和她的团队就会划着皮划艇或脏脏的小船前往洛杉矶和凡吐拉市三个未公开的淡水湖中央,收集水样。

摄影: Andrea D'Agosto

然而,与以往的许多探险不同的是,Smith的团队获得了一种可以改变公共卫生官员追踪藻华现象的工具,即基因测序。在将样本运送回岸上后,该团队过滤并保存样本,以更好地了解蓝藻群落。蓝藻是一种单细胞生物,能够进行光合作用,在温暖和营养丰富的水域中可快速繁殖。随后,提取样本中的DNA,送至位于卡尔弗城的Laragen Inc 。并在 Illumina MiSeq™ 系统上进行测序。Laragen公司可对各种来源的样本(包括环境样本)提供经过验证的快速16S/18S/ITS宏基因组测序服务。

深入探究
去年,该团队专注于研究该地区17个湖泊的蓝藻多样性。但今年,他们深入探究了其中的三个湖泊——一个是天然湖泊,两个是过度使用的城市湖泊——以深入了解这些湖泊在夏季是如何活动的,夏季的高温最有可能引发水华。“这样我们就能看到蓝藻群落在整个活跃旺季对环境条件的反应,”Smith说,她的整个职业生涯都在研究藻类。(加州创建了一个门户网站来追踪报导水华事件。)

该项目也是一次试运行,看看研究人员如何将DNA测序纳入他们的监测工作中。在过去,研究人员依赖于收集藻类,在显微镜下研究它们,并对水体的健康状况进行推断——这一工作成本高昂且耗时数月。SCCWRP的高级研究员Susanna Theroux博士说:“现在我们有了强大的工具来以不同的方式分析整个流域。”作为使测序成为主流研究方法做出的大量努力的一部分,她正在为流域创建一个藻类DNA参考文库。她说:“我们将能够更频繁地在取样地进行取样,而且更快、成本更低。我们可以为湖泊管理者提供一种工具,在引发大规模问题之前检测出较低的藻类浓度。”

SCCWRP的另一个藻类为重点研究对象的计划涉及与斯克里普斯海洋研究所和蒙特雷湾水族馆研究所的合作。斯克里普斯海洋研究所获得了美国国家海洋和大气管理局(NOAA)490万美元的资助 ,用于研究太平洋致命藻华的原因。在世界其他地区,藻类研究人员越来越多地使用DNA测序和基因组学来了解一切,从 古老栖息地的藻类、 光合作用的起源以及到蓝藻的进化, 以及气候变化对湖泊中藻华的影响

新闻中的藻华
SCCWRP研究人员的工作不能更及时或更紧迫了。去年,美国非营利组织环境工作组发布了一份 报告 ,记录了除阿拉斯加州以外美国各州在5月至10月间的400多起有毒藻类爆发案例。到今年7月,新增报告已经增加了46%,导致大规模警告 或关闭受欢迎的娱乐场所。Smith说,创纪录的高温(随着全球变暖越来越普遍)、滞水和化肥用量不断增加——以及由此产生的径流为藻华提供了养分——可能是导致藻华现象增多的因素。

在藻华期间,蓝藻可以释放各种不同的毒素,人如果接触这些毒素可以 导致 皮疹、呕吐,甚至喉咙痛和瘫痪。长期接触这些毒素会导致肝衰竭、癌症、心律失常等疾病。去年,由于一名游客的哈士奇幼犬因为喝了那里的水后死亡,因此犹他州锡安国家公园的护林员 警告 人们不要在维琴河的北支流游泳。

当公共卫生官员试图让公众注意到有害藻类的风险时,Theroux正在努力使其进入科学家的探测系统。她是 加州分子学方法工作组 的负责人,该工作组正在确定生成、分析和报告测序数据的最佳实践。到目前为止,该工作组有来自全国各地和加拿大的60名成员。她说:“当我们在2018年刚起步时,一切都百废待兴。我们现在正集思广益,共同制定通用方案。”例如,他们讨论哪些引物和生物信息学包是首选的,以及关于管理DNA参考文库的想法。她说:“我们还希望DNA测序新手参与进来,这样我们就能得到如何让所有受众都能使用方案的反馈。”

藻类管理科学
获得更频繁的测序数据将不仅有助于官员警告公众即将到来的藻华。它还可以提供关于如何在第一时间预防它们的有价值信息。Smith说:“当你了解了生物学,你就可以选择如何管理湖泊,以尽量减少藻华的发生。”藻华管理策略多种多样,包括安装曝气器,保持水流动以阻止蓝藻生长,疏浚湖底以减少营养源,或使用杀藻剂阻止其蔓延。她说:“第一步是深入了解这些微妙的系统。你无法管理你不知道的事情。”

基因组学的应用不仅对研究藻华的影响和潜在原因至关重要,而且对于帮助制定应对气候变化的全球应对策略也很重要。

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