Assembling a Micro Eco-System: Unveiling the network of ecological interactions in a marine microbial community using Next-Generation omics
Alternativ tittel: Konstruksjon av et Micro Øko-System: Påvise nettverket av økologiske interaksjoner i et marint og mikrobielt samfunn ved hjelp av omics
Biologiske samfunn er økosystemer som er sammensatt av mange interagerende komponenter (arter). I kombinasjon danner disse grunnlaget for funksjonen i biosfæren som en selvbærende enhet. Studiet av dyr og planter har forbdret vår forståelse av økosystemer betydelig, noe som igjen har gitt matematiske modeller for arter og deres økologiske interaksjoner (f.eks predasjon, parasittisme, symbiose, konkurranse). Interaksjonen kan framstilles som nettverk med spesifikke arkitekturer som påvirker økosystemet. Sammenlignet med dyr og planter, er vår kunnskap om mikrobielle interaksjons-nettverk mangelfull, og i de fleste samfunnsstudier er mikrober fortsatt slått sammen til grupper på grunnlag av deres funksjon (f.eks blir alle beitere behandlet under ett). Dermed mangler data om artsspesifikke interaksjoner. Siden mikrober er nøkkelspillere i nesten alle økosystemer og særlig i havene representerer dette et hull i vår forståelse av biosfærens funksjon. I lys av global oppvarming er dette spesielt uheldig. Årsaken til dagens situasjon er at forståelsen av mikrobielle interaksjoner og mangfold har vist seg å være svært vanskelig å opparbeide. Men nye teknologiske fremskritt innen microfluidics, encelle-genomikk, DNA-sekvensering, og høy-ytelses databehandling gjør det nå mulig å identifisere alle viktige mikrober i et økosystem og utforske deres økologiske interaksjoner.
I dette prosjektet har vi samlet inn informasjon om disse interaksjonen ved å sette sammen nettverk av sameksisterende organismer fra prøver som dekker hver måned over en periode på ti år. Vi har sekvensert barkoderegionen til både mikro-eukaryoter og bakterier, og har konstruert komplekse nettverk for å se hvilke arter som opptrer sammen og hvilke som motarbeider hverandre i økosystemet.
Nettverksanalysene resulterte i et nettverk bestående av 2987 arter (mindre enn 20 mikrometer og som var tilstede i minst 20% av tidsperioden) viste at veldig mange av disse marine mikroorganismene sameksisterer. Bare 5% av linkene mellom artene var negative som peker mot en overvekt av samarbeid eller preferanse for samme habitat. Et dataprogram ble laget for å luke ut miljøkomponenter og identifisere de økologiske interaksjonene mellom organismer.
For å verifisere de kjente av interaksjonene, samt for å avdekke nye og tidligere ukjente interaksjoner har vi laget en database over mikrobielle interaksjoner basert på litteratur som går tilbake til midten av 1800-tallet.
Dette har gjort det mulig å predikere mangfoldet av økologiske interaksjoner og har økt vår forståelse av det marine mikrobielle økosystemet.
This projects has contributed to increase the bioinformatics skills of the participants, as well as their skills in analysing association networks. Two PhD students will benefit from the large amount of data produced by this project. In addition, the datasets generated by this project will be available to the scientific community for future explorations. Thus, other questions unrelated to this project may be explored in the future, contributing to the increase in our understanding of marine systems. This project has also contributed significantly to improve the project management skills of the PI.
Biological communities are systems (ecosystems) composed of many interacting parts (species) that in combination constitute the basis of the functioning of the biosphere as a self-sustaining entity. Macro ecologists have advanced substantially our understanding of ecosystems involving mainly animals and plants, generating models where species and their ecological interactions are understood as networks, which have specific characteristics and architectures that can influence ecosystem functioning. In comparison, our knowledge of microbial interaction networks is rudimentary, and in most community studies, microbes are still pooled by their function (e.g. grazers), thus missing their species-specific interactions. This represents a major knowledge gap, as microbes are key players in almost all ecosystems, particularly in the oceans, and without comprehending their interactions we cannot increase our understanding of the functioning of the biosphere, which is particularly needed in a context of global change. The reason for the current state-of-affairs is that understanding microbial interactions (and diversity) has proven to be highly challenging. However, I am convinced that recent technological advance in High-Throughput microfluidics, Single-Cell genomics, Next-Generation sequencing, and High-Performance computing makes now feasible to capture all important microbes of a given community and determine their ecological interactions. Therefore, here I propose to assemble the first exhaustive network of ecological interactions for a natural marine microbial community. I will analyse in depth the architecture of this network and its connections with ecosystem functioning. Then, I will use models to explore questions on e.g. stability and robustness of the network, extrapolating the results to the global ocean. Constructing this network is a challenging and multidisciplinary venture, but the risks are compensated by the benefits of moving forward the research frontier.