Environmental RNA-Based Metatranscriptomics as a Novel Biomonitoring Tool: A Case Study of Glyphosate-Based Herbicide Effects on Freshwater Eukaryotic Communities.
Mol Ecol · 2025 · 34:e70164 · PMID 41163411 · 등급8 기타 사례보고 · 노출과 잔류 > 인체 바이오모니터링 · 곤충 · 제형(GBH)
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전통적인 형태학적 및 분자 기반 생물다양성 조사는 종 구성과 다양성에 대한 필수 정보를 제공하지만, 생태계 건강의 주요 지표인 유기체의 생리적 상태에 대한 정보는 거의 제공하지 못한다. 환경 RNA(eRNA)는 종 검출을 넘어선 통찰력을 제공함으로써 생물 모니터링을 크게 향상시킬 잠재력을 가지고 있다. 최근 연구들은 환경으로 방출된 외부 유래 RNA가 단일 종의 차등 발현 유전자를 식별하는 데 도움을 줄 수 있음을 시사한다. 그러나 외부 유래 및 유기체성 진핵생물 RNA를 모두 포함하는 복잡한 환경 샘플에 대한 eRNA 기반 메타전사체학의 실현 가능성은 수많은 실험적 및 분석적 난제들로 인해 아직 검증되지 않았다. 본 연구에서는 환경 스트레스 모니터링 도구로서 진핵생물에 풍부화된 eRNA 기반 메타전사체학의 잠재력을 탐구하였다. 우리는 야외 메소코섬을 이용하여 글리포세이트계 제초제(GBH)가 다양한 담수 진핵생물 분류군 전반의 유전자 전사에 미치는 급성 영향을 조사하였다. 우리의 메타전사체학 데이터는 식물플랑크톤, 동물플랑크톤, 섬모충류 및 수생 곤충을 포함하는 여러 영양 단계에 걸친 다양한 진핵생물 분류군을 보여주었다. GBH 처리는 대부분의 진핵생물 계통군의 상대적 전사체 풍부도를 유의하게 변화시켰으며, 더 긴 수명을 가진 분류군이 더 짧은 수명을 가진 분류군보다 더 큰 내성을 보였다. 차등 발현 분석 결과, 급성 독성에 기인했을 가능성이 있는 GBH 노출에 대한 반응으로 상향 조절(upregulation)보다 하향 조절(downregulation)된 유전자가 더 많이 관찰되었다. 많은 차등 발현 유전자들은 산화 스트레스 반응 및 해독과 같은 GBH 노출 관련 분자 경로와 연관되어 있었다. 우리의 결과는 eRNA 기반 메타전사체학이 다양한 수생 진핵생물 분류군으로부터 전사 신호를 포착하여 기능적 유전자 발현에 대한 통찰력을 제공함을 입증한다. 따라서, 수생 생태계의 환경 모니터링을 지원하기 위한 그 적용은 추가적인 탐구가 필요하다.ORIGINAL ABSTRACT
Traditional morphology- and molecular-based biodiversity surveys provide essential information on species composition and diversity, but they rarely provide information about the physiological states of organisms, which are key indicators of ecosystem health. Environmental RNA (eRNA) has the potential to significantly enhance biomonitoring by providing insights beyond species detection. Recent studies suggest that extra-organismal RNA released into the environment could help identify differentially expressed genes of single species. However, the feasibility of eRNA-based metatranscriptomics on complex environmental samples, containing both extra-organismal and organismal eukaryotic RNA, remains untested due to numerous experimental and analytical challenges. In this study, we explored the potential of eRNA-based metatranscriptomics, enriched for eukaryotes, as a tool to monitor environmental stress. We used outdoor mesocosms to examine the acute effects of a glyphosate-based herbicide (GBH) on gene transcription across diverse freshwater eukaryotic taxa. Our metatranscriptomics data revealed diverse eukaryotic taxa spanning multiple trophic levels, including phytoplankton, zooplankton, ciliates, and aquatic insects. GBH treatment significantly altered the relative transcript abundances of most eukaryotic classes, with longer-lived taxa demonstrating greater tolerance compared to shorter-lived taxa. Differential expression analysis showed more gene downregulation than upregulation in response to GBH, likely due to its acute toxicity. Many differentially expressed genes were involved in molecular pathways associated with responses to GBH exposure, such as oxidative stress response and detoxification. Our results demonstrate that eRNA-based metatranscriptomics captures transcriptional signals from diverse aquatic eukaryotic taxa, providing insights into functional gene expression. As such, its application to support environmental monitoring of aquatic ecosystems warrants further exploration.| 저자 | He, X.; Maruki, T.; Morgado-Gamero, W. B.; Barrett, R. D. H.; Fugère, V.; Fussmann, G. F.; Gonzalez, A.; Shapiro, B. J.; Cristescu, M. E. |
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| 저널 | Molecular ecology |
| 권·호·쪽 | 34(22), e70164 |
| PMID | 41163411 |
| DOI | 10.1093/bioinformatics/btab327 |
| MeSH | Glyphosate; Herbicides; Glycine; Fresh Water; Transcriptome; Animals; Environmental Monitoring; RNA; Eukaryota; Ecosystem; Gene Expression Profiling; Biological Monitoring; Water Pollutants, Chemical |