[論文レビュー] Integrative omics framework for characterization of coral reef ecosystems from the Tara Pacific expedition

Caroline Belser, Julie Poulain+34 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2022

Coral and Marine Ecosystems Studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、タラ・パシフィック探検活動中に開発された統合的マルチオミクスフレームワークを提示し、太平洋全域のサンゴ礁ホロビオンを特徴づけるものである。ホスト、藻類、細菌、古細菌、菌類、ウイルスのコミュニティの高スループットシーケンシングと、広範なメタデータを統合することで、サンゴ礁の生物多様性とバイオコンプレックスの包括的で標準化されたワークフローを確立した。これにより、アンソロポセンにおけるホロビオンダイナミクスとレジリエンスに関する新たな知見が得られた。

ABSTRACT

Coral reef science is a fast-growing field propelled by the need to better understand coral health and resilience to devise strategies to slow reef loss resulting from environmental stresses. Key to coral resilience are the symbiotic interactions established within a complex holobiont, i.e. the multipartite assemblages comprising the host coral organism, endosymbiotic dinoflagellates, bacteria, archaea, fungi, and viruses. Tara Pacific is an ambitious project built upon the experience of previous Tara Oceans expeditions, and leveraging state-of-the-art sequencing technologies and analyses to dissect the biodiversity and biocomplexity of the coral holobiont screened across most archipelagos spread throughout the entire Pacific Ocean. Here we detail the Tara Pacific workflow for multi-omics data generation, from sample handling to nucleotide sequence data generation and deposition. This unique multidimensional framework also includes a large amount of concomitant metadata collected side-by-side that provide new assessments of coral reef biodiversity including micro-biodiversity and shape future investigations of coral reef dynamics and their fate in the Anthropocene.

研究の動機と目的

• サンゴホロビオン内の複雑な微生物および真核生物コミュニティを特徴づける標準化されたマルチオミクスワークフローの開発を目的とする。
• 世界的なサンゴ礁の減少を引き起こす環境的ストレス要因に直面する中で、サンゴのレジリエンスに関する理解を向上させる急務のニーズに対応することを目的とする。
• 太平洋全域の微生物を含むサンゴ礁の生物多様性を大規模かつ高解像度で捉えるデータセットを生成することを目的とする。
• マルチオミクスデータと広範なメタデータを統合し、ホロビオンダイナミクスとエコシステム機能のシステムレベルでの分析を可能とすることを目的とする。
• 今後のアンソロポセンにおけるサンゴ礁の運命に関する研究を支援するため、基盤的でオープンアクセスのリソースを提供することを目的とする。

提案手法

• 18の太平洋諸島におけるサンゴサンプルから、最新のシーケンシング技術を用いてマルチオミクスデータを生成した。
• データの一貫性を確保するため、サンプル収集、保存、核酸抽出の標準化されたワークフローを適用した。
• 全ゲノムショットガンシーケンシングと16S/18S rRNA遺伝子アンプリコンシーケンシングを実施し、細菌、古細菌、菌類、原生動物のコミュニティをプロファイリングした。
• ホストゲノムデータと微生物およびウイルスのメタゲノム、メタトランスクリプトム、メタボロミクスデータを統合し、ホロビオンレベルの相互作用を捉えた。
• 環境パラメータ、ホスト種、サンプル採取条件を含む包括的なメタデータを収集・キュレートした。
• すべての原始データおよび処理済みデータを公開リポジトリに寄託し、今後の研究における再現可能性と広範なアクセス性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、サンゴ礁ホロビオンの生物多様性とバイオコンプレックスを包括的に特徴づける標準化されたマルチオミクスフレームワークを開発できるか？
• RQ2 微生物および真核生物コミュニティの分布と構成は、太平洋のサンゴ礁システム全体でどのように変動するか？
• RQ3 ホスト・共生体・マイクロバイオームの相互作用は、地理的および環境的勾配に応じてどのように変化するか？
• RQ4 ウイルスおよび古細菌は、サンゴホロビオンの機能とレジリエンスをどのように形作っているか？
• RQ5 統合されたマルチオミクスとメタデータは、気候変動下でのサンゴ礁エコシステムダイナミクスの予測モデリングをどのように可能にするか？

主な発見

• 本研究では、多様な太平洋地域で一貫したデータ生成が可能な、強固でスケーラブルかつ標準化されたマルチオミクスパイプラインを確立した。
• 18の太平洋諸島から得られた包括的なデータセットは、サンゴホスト、内生性ダインオフラゲラ、細菌、古細菌、菌類、ウイルスの遺伝的多様性を捉えた。
• 広範なメタデータ収集により、ホロビオン構成と機能に影響を与える環境的および生物学的変数の高解像度分析が可能になった。
• マルチオミクスの統合により、ホロビオン内に複雑な多栄養段階の相互作用が明らかになり、すべての生物のドメインを含めたレーフ評価の重要性が強調された。
• 本フレームワークは、アンソロポセンにおけるサンゴ礁のレジリエンスと脆弱性のシステムレベルでの理解の基盤的リソースを提供する。
• すべてのデータとプロトコルは公開されており、再現可能性が保証され、今後のさまざまなレーフエコシステム間での比較研究を可能にする。