[논문 리뷰] Integrative omics framework for characterization of coral reef ecosystems from the Tara Pacific expedition

Caroline Belser, Julie Poulain외 34명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 06.

Coral and Marine Ecosystems Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 타라 태평양 항해 동안 개발된 통합 다오미크스 프레임워크를 통해 태평양 전역의 산호초 홀로바이오트를 특성화한다. 고속 시퀀싱을 통해 숙주, 조류, 박테리아, 고세균, 곰팡이 및 바이러스 군집을 조합하고 광범위한 메타데이터를 통합함으로써, 산호초 생물다양성과 생물복잡성을 평가하기 위한 종합적이고 표준화된 워크플로우를 구축하였다. 이는 인류존대에서 홀로바이오트의 역동성과 회복력에 대한 새로운 통찰을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산호 홀로바이오트 내 복잡한 미생물 및 진핵생물 군집을 특성화하기 위한 표준화된 다오미크스 워크플로우를 개발하기 위해.
• 전 세계 산호초 쇠퇴를 이끄는 환경적 스트레스 요인에 대비한 산호의 회복력에 대한 이해를 향상시킬 급박한 필요성을 해결하기 위해.
• 태평양 전역의 산호초 생물다양성, 미생물 포함을 포함한 대규모 고해상도 데이터셋을 생성하기 위해.
• 다오미크스 데이터를 광범위한 메타데이터와 통합하여 홀로바이오트의 역동성과 생태계 기능을 체계적으로 분석하기 위해.
• 향후 연구에서 인류존대의 산호초 운명을 지원하기 위해 기초가 되는 개방형 자원을 제공하기 위해.

제안 방법

• 18개의 태평양 제도에서 수집된 산호 샘플로부터 최신 시퀀싱 기술을 활용해 다오미크스 데이터를 생성하였다.
• 모든 현장에서 데이터 일관성을 확보하기 위해 표준화된 샘플 수집, 보존 및 핵산 추출 워크플로우를 적용하였다.
• 전장 유전체 샷건 시퀀싱과 16S/18S rRNA 유전자 암프리콘이 시퀀싱을 수행하여 박테리아, 고세균, 곰팡이 및 원생생물 군집을 프로파일링하였다.
• 숙주 게놈 데이터를 미생물 및 바이러스의 메타게놈, 메타전사체, 대사체 데이터와 통합하여 홀로바이오트 수준의 상호작용을 포괄적으로 캡처하였다.
• 환경 파rameter, 숙주 종, 샘플링 조건 등을 포함한 포괄적인 메타데이터 세트를 수집하고 정제하였다.
• 모든 원시 및 처리된 데이터를 공공 저장소에 기탁하여 재현 가능성과 향후 연구를 위한 광범위한 접근성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 표준화된 다오미크스 프레임워크를 개발하여 산호초 홀로바이오트의 생물다양성과 생물복잡성을 종합적으로 특성화할 수 있는가?
• RQ2 미생물 및 진핵생물 군집의 분포와 구성은 태평양 산호초 시스템 전역에서 어떻게 이루어져 있는가?
• RQ3 지리적 및 환경적 기울기 전역에서 숙주-공생체-미생물군집 상호작용은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 바이러스와 고세균은 산호 홀로바이오트의 기능과 회복력 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 통합된 다오미크스와 메타데이터는 기후 변화 하에서 산호초 생태계 역동성의 예측 모델링을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 이 연구는 다양한 태평양 지역에서 일관된 데이터 생성이 가능한 견고하고 확장 가능하며 표준화된 다오미크스 파이프라인을 확립하였다.
• 18개의 태평양 제도에서 포괄적인 데이터셋을 생성하여 산호 숙주의 유전자 다양성, 내세균성 다이노플랑크톤, 박테리아, 고세균, 곰팡이 및 바이러스의 다양성을 캡처하였다.
• 광범위한 메타데이터 수집을 통해 홀로바이오트 구성과 기능에 영향을 주는 환경적 및 생물학적 변수의 고해상도 분석이 가능해졌다.
• 다오미크스 레이어의 통합을 통해 홀로바이오트 내 복잡한 다단계 상호작용이 드러났으며, 모든 생명 영역을 포함한 산호초 평가의 중요성을 강조하였다.
• 이 프레임워크는 인류존대에서 산호초 생태계의 회복력과 취약성에 대한 체계적 이해를 위한 기초 자원을 제공한다.
• 모든 데이터와 프rotocols는 개방형으로 공개되어 재현 가능성을 확보하고 향후 다양한 산호초 생태계 간 비교 연구를 가능하게 한다.