科学家们正在利用DNA来研究海洋生物揭示浮游动物隐藏的多样性

海洋浮游动物是一种微小的动物，大约相当于夏季可能看到的昆虫的大小，随洋流漂移。他们中的许多人都很可爱，但除了研究它们的科学家外，很少有人知道它们是地球上数量最多，最重要的动物之一。

我的研究重点是海洋浮游动物，我认为它是“有魅力的微型动物”。这些微小的生物是开放式海洋食物网的关键参与者，因为它们是许多鱼类的首选食物。人们认为在全球海洋中发现了许多物种。

已经描述了7,000多种浮游动物，但我们不知道有多少种类存在。由于它们是大型鱼类的重要食物来源，并且对环境变化和气候变化做出快速反应，因此了解更多关于浮游动物是了解海洋生态系统健康的关键。

我的实验室通过廉价且易于使用的DNA测序获得了对浮游动物多样性的新见解。这些方法提供了识别物种的新工具。根据一些估计，可能有多达70,000个未知和被忽视的浮游动物物种尚待发现。

海洋生态系统的关键环节

开阔的海洋是地球上最大的栖息地。由于海洋浮游动物种类繁多且多样化，它们有助于创造出具有多种人类食物的复杂食物网。但是，环境条件的变化，包括全球变暖，可以通过改变浮游动物的多样性和分布来破坏这些系统。

目前，关键的浮游动物物种向北移动，以寻找变暖海洋中较凉爽的海水。这对海洋生态系统造成了重大干扰。例如，北海的鳕鱼渔场在作为鱼类首选猎物的浮游动物物种被另一个密切相关的桡足类物种取代之后坠毁，这些桡足类物种向北移动以应对全球变暖。

这样的事件表明，浮游动物可以在海洋生态系统中发挥关键作用，尽管科学家对它们知之甚少，并且可能不了解某一物种在它消失之前的重要性。

许多因素使得测量海洋浮游动物多样性具有挑战性。首先，从深海采集样本是一项艰苦的工作。研究船只全天候运作，船上的科学家通常每天工作两个六小时的手表。我们使用电子操作的高度复杂的网络系统对浮游动物进行采样。

当网被恢复时，样本包含许多不同的物种，并且动物通常仍然存活。将它们小心地移入托盘进行观察和物种鉴定。尽管时间紧迫，工作艰苦，但我还是喜欢出海，参加过许多航行，包括对北极和南极海洋极地的惊人探索。

对于我的研究，海上采集的样本可以快速保存用于遗传分析，通常在实验室中进行。这是艰苦的工作。浮游动物作为一个群体在分类学上是复杂的，这意味着它们包括许多难以鉴定的稀有物种。此外，许多重要的海洋生物，包括鱼类，在其未成熟(幼虫)阶段缺乏诊断特征。

用遗传标记鉴定浮游动物物种

为了理解，评估和管理海洋生态系统，获取有关物种多样性的信息至关重要。但是使用传统方法获取这些信息是繁琐，昂贵和缓慢的。

这项工作属于专家形态分类学家，他们可能花费数年时间学习识别物种之间差异的细微特征。由于有7,000种浮游动物描述物种跨越15个门和超过30个不同的群体，这项工作可能涉及大型团队。

但分子方法正在提供重要的新见解。我的实验室小组使用不同的分子方法来研究种群生态学，种群遗传学，物种多样性和其他有关海洋浮游动物的问题。

一种有效的方法是使用DNA条形码 - 短的DNA序列 - 来识别和区分物种。为此，我们对已知在所有浮游动物中发生的遗传区域的DNA进行测序，但在不同物种之间存在显着差异。

我的实验室确定了许多浮游动物物种的DNA条形码。我们使用线粒体细胞色素氧化酶I(COI)基因的一部分，这是用于分析海洋动物物种多样性的最常用的测序基因区域。不断增长的条形码数据库被比作Rosetta Stone，用于全球浮游动物的物种鉴定。现在可以获得数千种海洋动物的COI序列。他们创建了一个宝贵的参考库，可以作为下一代环境测序的基础，也称为元条码。

使用元条码加速我们的工作，因为我们可以从浮游动物样本中对DNA进行测序，而无需识别单个样本。这种“高通量”DNA测序产生数百万个序列或metabarcodes，它们代表整个样品的靶基因区域。可以通过匹配已知浮游动物物种的序列数据库来鉴定所得序列。

使用元编码来定期和可靠地分析浮游动物的多样性带来了许多挑战。然而，越来越多的研究人员正致力于建立参考数据库，将DNA条形码与全球海洋中随处可见的浮游动物物种名称联系起来。

全球努力

科学家们预计，DNA条形码和元条形码将大大改变全球对浮游动物多样性的估计。但我们只能通过全球范围的对话，合作和协作来实现这些方法的显着前景。

一些国际合作努力铺平了道路。它们包括2004 - 2010年的海洋浮游动物普查，其中发现了数千种物种并描述了数百种以前不为科学所知的新物种。我是综合形态学和分子分类学工作组的成员，该工作组正在推进这项工作。深入了解浮游动物的生物多样性将为未来研究，监测和管理地球上最大的栖息地 - 开阔海洋提供基础。