Michiel Perneel gebruikte in zijn doctoraatsonderzoek aan het Vlaams Instituut voor de Zee (VLIZ), het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB) en de Universiteit Gent geavanceerde genetische technieken om te achterhalen wat plankton eigenlijk doet in de Belgische Noordzee. Door metatranscriptomics toe te passen – waarmee kan worden achterhaald welke genen op een bepaald moment actief zijn – volgde hij de dagelijkse en seizoensgebonden activiteiten van de microscopisch kleine organismen die een belangrijke rol spelen in mariene ecosystemen en de zuurstofproductie. Zijn bevindingen tonen aan dat verschillende planktonsoorten gedijen onder verschillende omgevingsomstandigheden en elk gespecialiseerde rollen spelen in de voedselketen. Met name zijn werk over de alg Phaeocystis globosa bracht veranderingen in genactiviteit in verband met realtime zuurstofproductie tijdens de voorjaarsbloei. De studie biedt een nieuwe manier om de gezondheid van de oceaan te monitoren en te begrijpen hoe deze kleine organismen reageren op klimaats- en nutriëntveranderingen.
Plankton mag dan wel microscopisch klein zijn, het heeft een enorme invloed: het vormt de basis van mariene voedselketens en produceert een groot deel van de zuurstof die we inademen. Toch is wat plankton precies doet in de oceaan grotendeels onbekend gebleven. Deze week verdedigde Michiel Perneel zijn doctoraatsthesis die een ongekend inzicht biedt in het dagelijkse leven en de ecologische rol van plankton in het Belgische deel van de Noordzee.
Om dit te bereiken maakte Michiel gebruik van een geavanceerde moleculaire techniek genaamd metatranscriptomics, waarmee kan worden vastgesteld welke genen actief zijn in planktoncellen. Deze methode identificeert niet alleen welke organismen aanwezig zijn, maar laat ook zien waar ze op het moment van staalname mee bezig zijn: of ze nu groeien, jagen, fotosynthetiseren of omgaan met omgevingsstress.
Gedurende drie jaar, van juli 2020 tot augustus 2023, verzamelde hij maandelijks zeewaterstalen en extraheerde hij RNA om deze momentopnames van cellulaire activiteit te onthullen. Het resultaat is één van de meest gedetailleerde en langdurige datasets van plankton-genexpressie die ooit voor de Noordzee is gegenereerd. Het bevestigt metatranscriptomics als een waardevol en realistisch instrument voor het monitoren van mariene ecosystemen, en de volledige dataset zal openbaar toegankelijk komen voor verder onderzoek.
Diverse planktonstrategieën in een veranderende kustomgeving
Het onderzoek toont aan dat niet alle planktonsoorten onder dezelfde omstandigheden gedijen. Zelfs binnen het kleine gebied van de Belgische Noordzee lijken de kustwateren verre van uniform. Sommige regio's staan onder invloed van rivierafvoer en zijn rijk aan voedingsstoffen, terwijl zones verder uit de kust helderder en zouter zijn. Michiels onderzoek toont aan dat verschillende planktonsoorten verschillende metabolische strategieën hebben ontwikkeld, waardoor ze alleen in bepaalde omgevingen kunnen gedijen. Sommige soorten gedijen waar voedingsstoffen in overvloed aanwezig zijn, andere groeien het best in helder water met meer licht, en weer andere overleven door zich te voeden met ander plankton.
Deze verschillen hebben bredere implicaties: de identiteit van planktonsoorten beïnvloedt welke vislarven zich ermee kunnen voeden en bepaalt zo de grotere mariene voedselketen. Inzicht in welke planktonsoorten aanwezig zijn en wat ze op het moment van staalname daadwerkelijk doen, is cruciaal om te kunnen voorspellen hoe kustecosystemen zullen reageren op klimaatverandering en verschuivingen in nutriëntenniveaus.
Het verband tussen genactiviteit van algen en zuurstofproductie in ecosystemen
Een opvallend onderdeel van het onderzoek richtte zich op de jaarlijkse voorjaarsbloei van de alg Phaeocystis globosa, die bekend staat om het feit dat hij delen van de Noordzee een heldere, melkachtige groene kleur geeft die zelfs vanuit de ruimte te zien is.
Tijdens één van deze bloeiperiodes namen Michiel en zijn collega's elk uur stalen van het zeewater om na te gaan hoe de genetische activiteit van de algen gedurende de dag veranderde. Door deze informatie te combineren met metingen van de zuurstofproductie, konden ze een direct verband leggen tussen de microscopische processen in de algencellen en de grootschalige productie van zuurstof in het ecosysteem. Dit levert zeldzaam en waardevol bewijs op van de hoeveelheid zuurstof en koolstof die dergelijke bloei bijdraagt aan het milieu, waardoor wetenschappers de rol van deze kleine organismen in wereldwijde biogeochemische cycli beter kunnen inschatten.
Deze kleurgecodeerde grafiek laat op elk uur van een 24 uurcyclus zien welke genen in Phaeocystis globosa – ten opzichte van normale niveaus – verhoogd of verlaagd actief waren, gegroepeerd op basis van hun functies en vergelijkbaarheid met genen in andere organismen.
Dit onderzoek toont aan dat de Noordzee geen statische omgeving is, maar een dynamisch levend systeem waarin microscopisch kleine gemeenschappen reageren op getijden, seizoenen en bredere veranderingen in het milieu. Het benadrukt het belang van het bestuderen van plankton, niet alleen als achtergrondorganismen, maar als actieve, invloedrijke spelers in het functioneren van onze kustwateren.
Naarmate de klimaatverandering het mariene milieu blijft hervormen, zullen instrumenten die onthullen wat er op het niveau van individuele cellen gebeurt, zoals die welke in dit doctoraatsonderzoek worden gebruikt, van cruciaal belang zijn. Het werk van Michiel biedt zowel een nieuw inzicht in de ecologie van plankton, en toont aan hoe metatranscriptomics een krachtige manier is om het onzichtbare maar essentiële leven in de oceaan te observeren. VLIZ feliciteert hem van harte met het behalen van zijn doctoraat in de wetenschappen: bioinformatica.
Doctoraat en begeleiding
Het doctoraat van Michiel Perneel werd uitgevoerd aan het Vlaams Instituut voor de Zee, het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB) en de Universiteit Gent (Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics). Hij deed dat onder begeleiding van haar promotoren Pascal Hablützel (VLIZ & VUB) en Steven Maere (UGent & VIB). Bij de openbare verdediging maakten Prof. Natalie Cohen (University of Georgia), Prof. Thomas Mock (University of East Anglia), Prof. Eveline Pinseel (UGent), Prof. Jeroen Raes (VIB) en Prof. Koen Sabbe (UGent) deel uit van de jury. Michiel kreeg voor het uitvoeren van dit onderzoek steun van het FWO-Vlaanderen.
Referentie: Perneel, M. (2025). Spatiotemporal metatranscriptomics of surface microeukaryotic plankton communities in the Southern North Sea. PhD Thesis. Ghent University – Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics/Flanders Marine Institute: Gent, Oostende. 313 pp. [VLIZ-bib]