6.2 أدوات لدراسة المجتمعات الميكروبية

وقد أتاحت التكنولوجيات الجديدة لدراسة كيفية تغير المجتمعات الجرثومية بمرور الوقت، وأي مجموعات من الكائنات الحية تسود في ظروف بيئية معينة، فرصا متزايدة للتنبؤ بالنتائج السلبية داخل مكونات النظام، مما يؤدي بالتالي إلى تصميم أجهزة استشعار واختبارات أفضل و الرصد الفعال لل مجتمعات الجرثومية في تربية الأسماك أو النباتات. على سبيل المثال، العديد من التكنولوجيات «omics» - metagenomics، metatranscriptomics، proteomics المجتمع، الأيض - تمكّن الباحثين بشكل متزايد من دراسة تنوع الميكروبيوتا في RAS، والمرشحات الحيوية، والهيدروبونيات ونظم توزيع الحمأة حيث تتضمن أخذ العينات تجمعات ميكروبية كاملة بدلاً من جينوم معين. وقد ساعد تحليل التنوع البدائي على وجه الخصوص, كثيرا في العقود الأخيرة من خلال تقنيات ميتاجينوميك و ميتاترانسريبتوميك. وعلى وجه الخصوص، اعتبر التضخيم وتحليل تسلسل الجين RRNA 16S، استنادا إلى الحفظ الداخلي للتسلسل الجيني المحايد المحيط بالعمليات الريبوسومية في الحمض النووي البكتيري، «المعيار الذهبي» للتصنيف التصنيفي وتحديد الأنواع البكتيرية. وتستخدم هذه البيانات أيضا في علم الأحياء المجهرية لتتبع الأوبئة والتوزيعات الجغرافية ودراسة المجموعات البكتيرية والنباتات النباتية (بوشيه وآخرون 2008). ويمكن أن تكون المنهجية كثيفة الاستخدام لليد العاملة ومكلفة، ولكن النظم الآلية الحديثة، وإن لم تكن تمييزية بالضرورة على مستوى الأنواع والسلالات، فإنها تتيح فرصاً للتطبيق في البيئات المائية (Schmautz et al. 2017). وتلخص الاستعراضات الأخيرة تطبيقات 16S RRNA لأنها تتعلق RAS (مارتينيز - بورشاس وفارغاس-ألبوريس 2017؛ مونغيا-فراغوزو وآخرون. 2015؛ رورانغوا وفيرديجيم 2015). التقدم في ميتاجينوميك من الميكروبات الأخرى غير البكتيريا الموجودة في RAS والمياه تعتمد على منهجيات مماثلة ولكن استخدام 18S (eukaryotes)، 26S (الفطريات) و16S في تركيبة مع 26S (الخمائر) RRNA استنساخ المكتبات لتوصيف هذه الميكروبيوتا (مارتينيز بورشاس وVargasalbores 2017). وعلى سبيل المثال، استُخدمت أيضاً مكتبات RRNA التفصيلية في الزراعة المائية لتوصيف المجتمعات الجرثومية في الغلاف الجذري (أوبورجر وشميدت 2016). ويمكن أن تكون هذه المكتبات مفيدة بشكل خاص في علم الأحياء المائية، بالنظر إلى أنها يمكن أن تفحص تجميع الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا والآثايا والطفيليات والفطريات وتقديم ردود الفعل على التغييرات داخل النظام.

كما مكّن تطوير التسلسل الآلي للجيل التالي من تحليل بيانات الجينوم المستقاة من عينات السكان (الميتاجينوميات) التي يمكن استخدامها لتوصيف الجراثيم، والكشف عن التغيرات الزمانية المكانية النباتية ومسببات الأمراض النزرة. وتشمل التطبيقات في RAS تتبع سلالات بكتيرية معينة بين الأسماك المستزرعة والقضاء على المجموعات السكانية التي تحمل سلالات خبيثة، مع الحفاظ على ناقلات السلالات الأخرى (مراجعة: (Bayliss et al. 2017). ويمكن أن تكون المقاربات الميتاجينومية مستقلة عن الاستزراع والتضخيم، مما يسمح للأنواع التي لم تكن قابلة للاستزراع في السابق بأن تصبح معروفة وتحري عن آثارها المحتملة (مارتينيز بورشاس وفارغاس ألبوريس 2017). وتشيع استخدام تقنيات التسلسل من الجيل التالي في علم الأحياء المجهرية النباتية إلى جانب تحليلات المتابعة للخطوط المشية. مثال ممتاز على ذلك هو أول دراسة للنباتات الكاملة للمجتمعات الميكروبية في جذزوسفير، حيث تبين أن الإفرازات الجذرية ترتبط بمراحل النمو (Knief 2014).

البروتيوميات هي الأكثر فائدة عند دراسة أنواع بكتيرية معينة أو سلالة في ظل ظروف بيئية محددة من أجل وصف إمراضيتها أو دورها المحتمل في التكافل. ومع ذلك، هناك أوجه تقدم في البروتيوميات المجتمعية التي تعتمد على دراسات ميتاجينومية سابقة وتستخدم تقنيات كيميائية حيوية مختلفة لتحديد البروتينات المفرزة المرتبطة بالمجتمعات الجرثومية أو التكافلية، على سبيل المثال، كما أن هناك إمكانيات أخرى تكثر بفضل قدرة تكنولوجيات غس الوطنية تقدم بسرعة (مراجعة: (Knief وآخرون. 2011).

ويميز الأيض وظائف الجينات، ولكن التقنيات ليست محددة للكائن الحي أو تعتمد على التسلسل، وبالتالي يمكن أن تكشف عن مجموعة واسعة من المستقلبات التي هي نواتج نهائية للكيمياء الحيوية الخلوية في الكائنات الحية والأنسجة والخلايا أو مقصورة الخلايا (اعتمادا على العينات التي يتم تحليلها). ومع ذلك، فإن المعرفة حول استقلاب المجتمعات الجرثومية في ظل ظروف بيئية معينة (المصغرة) تكشف عن قدر كبير عن دورة المواد المغذية البيوجيوكيميائية وآثار الاضطرابات. هذه المعرفة تميز مسارات الأيض المختلفة ومجموعة من الأيض الموجودة في العينات. ويمكن أن تشير التحليلات البيوكيميائية والإحصائية اللاحقة إلى حالات فسيولوجية يمكن أن ترتبط بدورها بالبارامترات البيئية التي قد لا تكون واضحة من النهج الجينية أو البروتينية. ومع ذلك، فإن الجمع بين الأيض ودراسات وظائف الجينات له إمكانات هائلة في تعزيز بحوث الأحياء المائية؛ انظر المراجعة (فان دام وبوميستر 2016).