[论文解读] 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 4

一句话总结

本文介绍了在塔拉太平洋考察期间开发的整合性多组学框架，用于表征太平洋珊瑚礁共生体。通过结合宿主、藻类、细菌、古菌、真菌和病毒群落的高通量测序与大量元数据，该研究建立了一套全面且标准化的工作流程，用于评估珊瑚礁生物多样性和生物复杂性，从而为人类世背景下共生体动态与韧性提供新见解。

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.

研究动机与目标

• 开发一种标准化的多组学工作流程，以表征珊瑚共生体内复杂的微生物和真核生物群落。
• 应对迫切需求，即增进对珊瑚在环境压力驱动下全球珊瑚礁衰退背景下韧性的理解。
• 生成大规模、高分辨率的太平洋珊瑚礁生物多样性数据集，涵盖微生物。
• 将多组学数据与大量元数据整合，以实现对共生体动态与生态系统功能的系统级分析。
• 通过提供基础性、开放获取的资源，支持未来对人类世珊瑚礁命运的研究。

提出的方法

• 利用最先进的测序技术，从分布在18个太平洋群岛的珊瑚样本中生成多组学数据。
• 应用标准化的工作流程进行样本采集、保存和核酸提取，以确保各站点间的数据一致性。
• 开展全基因组鸟枪法测序以及16S/18S rRNA基因扩增子测序，以表征细菌、古菌、真菌和原生生物群落。
• 将宿主基因组数据与微生物和病毒的宏基因组、宏转录组及代谢组数据整合，以捕捉共生体水平的相互作用。
• 收集并整理了全面的伴随元数据，包括环境参数、宿主物种和采样条件。
• 将所有原始数据和处理后数据存入公共数据库，以确保可重复性，并为未来研究提供广泛可及性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何开发一种标准化的多组学框架，以全面表征珊瑚礁共生体的生物多样性和生物复杂性？
• RQ2 微生物和真核生物群落在太平洋珊瑚礁系统中的分布与组成如何？
• RQ3 宿主-共生体-微生物组相互作用如何随地理和环境梯度变化？
• RQ4 病毒和古菌在塑造珊瑚共生体功能与韧性方面发挥什么作用？
• RQ5 如何通过整合多组学与元数据，实现对气候变化下珊瑚礁生态系统动态的预测建模？

主要发现

• 本研究建立了一套稳健、可扩展且标准化的多组学分析流程，可在不同太平洋地区实现一致的数据生成。
• 从18个太平洋群岛获得了全面的数据集，涵盖了珊瑚宿主、内共生甲藻、细菌、古菌、真菌和病毒的遗传多样性。
• 广泛的元数据收集使能够对影响共生体组成与功能的环境和生物变量进行高分辨率分析。
• 多组学多层数据的整合揭示了共生体内复杂的多营养级相互作用，凸显了在珊瑚礁评估中纳入所有生命域的重要性。
• 该框架为人类世背景下珊瑚礁生态系统韧性与脆弱性的系统性理解提供了基础性资源。
• 所有数据和实验方案均公开可获取，确保了可重复性，并支持未来在不同珊瑚礁生态系统间的比较研究。