近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室研究員林強團隊，聯(lián)合廈門大學(xué)、美國康涅狄格大學(xué)等的科研人員，獲得了海洋典型鈣化藻——仙掌藻和叉節(jié)藻的全基因組，揭示了仙掌藻基因組異源多倍化與不對稱進化機制，闡明了鈣化藻生物鈣化與單細胞多核發(fā)生的遺傳與分子調(diào)控機理。

仙掌藻是一類胞外鈣化綠藻。盡管仙掌藻植株能夠生長至30厘米，卻由一個管狀細胞構(gòu)成。它是真正的“巨型單細胞”。叉節(jié)藻則是一類次級細胞壁內(nèi)鈣化的紅藻，主要生活在淺海的島礁區(qū)域。已有研究表明，藻類的鈣化性狀影響其對島礁環(huán)境的適應(yīng)能力，如機械穩(wěn)定性增強、抵御捕食者和光合效率升高等，從而維持較高的生長速率和生物量。盡管學(xué)術(shù)界關(guān)注海洋鈣化藻的發(fā)生與演化規(guī)律，但藻類鈣化復(fù)雜性狀的進化與遺傳學(xué)基礎(chǔ)及其分子調(diào)控機制尚不清楚。

針對鈣化藻具有細菌污染程度高的特征，該團隊構(gòu)建了全基因組細菌序列去除方案，獲得了高質(zhì)量的仙掌藻和叉節(jié)藻基因組。基于此，該團隊揭示了仙掌藻“巨型單細胞”通過調(diào)節(jié)細胞質(zhì)內(nèi)細胞核數(shù)量、倍性以及擴張細胞骨架動力調(diào)控和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因家族來維持巨大體型。同時，研究發(fā)現(xiàn)，Myo8基因丟失可能導(dǎo)致胞質(zhì)不能正常分裂，進而造成單細胞多核的性狀。

該研究發(fā)現(xiàn)了仙掌藻是AAAB型的異源多倍體，并分離了仙掌藻的4套亞基因組?；蚪M結(jié)構(gòu)進化分析揭示了4套亞基因組的不對稱進化特征。其中，S1亞基因組占據(jù)主導(dǎo)地位，編碼了更多參與離子運輸、有機酸生物合成、堿基合成等生物學(xué)過程的高表達直系同源基因，并同步富集了編碼Ca²⁺運輸?shù)幕?，這表明仙掌藻基因組多倍化與其鈣化性狀的耦合關(guān)系。

進一步，研究發(fā)現(xiàn)，仙掌藻多倍化和亞基因組分化與海平面降低和大氣CO₂升高等事件吻合。海平面降低導(dǎo)致藻體暴露在高光強與紫外線下，而海水酸化則促進藻體鈣質(zhì)溶解；仙掌藻通過全基因組復(fù)制增強基因多樣性以應(yīng)對脅迫環(huán)境，在生態(tài)位競爭中占據(jù)優(yōu)勢并快速實現(xiàn)種群擴張。這一推論在珊瑚礁鉆井的生物地層演化研究中得到印證。研究顯示，礁體大型鈣化藻暴發(fā)約在690萬年至600萬年前和360萬年至150萬年前，均發(fā)生在仙掌藻亞基因組分化和多倍化之后。

針對仙掌藻和脆叉節(jié)藻的鈣化模式的差異，該研究揭示了仙掌藻胞外鈣化和脆叉節(jié)藻次級細胞壁鈣化的遺傳調(diào)控特征。研究發(fā)現(xiàn)，兩種鈣化藻在實現(xiàn)鈣化區(qū)域的鈣化離子飽和與分泌有機基底促進晶體成核發(fā)育方面存在差異。仙掌藻中轉(zhuǎn)運鈣化離子的Pmca、V-ATPase和Slc4特異性擴張，而脆叉節(jié)藻擴張了催化碳酸鹽體系離子轉(zhuǎn)化的胞外CA。在有機基底方面，仙掌藻擴張Col1a和Fn3，而脆叉節(jié)藻擴張細胞壁內(nèi)多聚糖和糖蛋白合成基因家族。多組學(xué)聯(lián)合解析表明，仙掌藻的鈣化反應(yīng)與光合作用耦合，屬于“生物學(xué)過程誘導(dǎo)”的鈣化模式。

9月20日，相關(guān)研究成果以Genome of Halimeda opuntia reveals differentiation of subgenomes and molecular bases of multinucleation and calcification in algae為題，在線發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃等的支持。

論文鏈接

兩種鈣化藻類系統(tǒng)演化與仙掌藻核分裂圖示