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破译南极衣藻基因“密码”

2020-07-29 11:16:00    来源: 中国自然资源报    作者:王晶

近日,自然资源部第一海洋研究所海洋生物资源与环境研究中心缪锦来研究团队联合南京师范大学钟伯坚研究团队在南极嗜冷绿藻适应极端环境机制研究方面取得新成果,首次对南极海冰生态系统特有的南极衣藻进行了基因组适应性进化研究,揭示了南极嗜冷绿藻基因组水平适应极端环境的分子机制。该研究成果在国际生物学领域顶级刊物《现代生物学》在线发表,海洋一所研究员缪锦来为文章通讯作者,助理研究员曲长凤为共同第一作者。

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南极海冰

“冰雪世界”的生物奥秘 

作为地球主要生态环境类型之一,海冰可在冬季覆盖地球表面约13%的面积。大部分南极海冰在夏天短暂消失,到冬天又重新形成。与淡水冰不同,海冰是一种半固体矩阵,冰晶之间弥漫着大小不一、充满卤水的孔道网络,具有低温、高盐(100‰及更高)、光照变化剧烈、气体交换有限等特点。

南极冰藻又称为南极微藻,是生长于南极海冰、海冰边缘、海水等环境的微藻总称,既包括南极特有的藻类,也包括来源于其他水域、且已经进化适应南极极端环境而存活下来的藻类。南极冰藻是南极海冰、海水生态系统中重要的生态群体和初级生产力来源,每年可生产约6亿~7亿吨碳,是南极磷虾等南极生物的重要食物来源。

南极衣藻是一种典型的单细胞嗜冷绿藻,可在南极极端环境下生长繁殖。在海冰冻融过程中,它要经历海水、海冰环境产生的巨大反差,承受极端低温、光照波动、以及剧烈盐度与紫外线辐射的变化等考验。长期以来,南极衣藻完成了一系列进化,适应了极地海冰复杂的极端生境,成为极端环境适应性进化研究的模式藻种。

研究发现,南极衣藻最适宜生长的温度为4摄氏度~10摄氏度,最高生长温度不超过15摄氏度。身处零下20摄氏度的冰箱里也不会影响藻体活力。在132‰盐度条件下,南极衣藻仍能正常生长。南极衣藻在低温、高盐、紫外线等考验下表现出的强大生命力,使其成为极端环境适应性进化研究与藻类抗逆机制研究的优良品种资源。

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显微镜下的南极衣藻

首次破译南极衣藻全基因组 

近年来,国际上关于生物适应南极极端环境的基因组研究主要聚焦于南极硅藻、南极磷虾、南极鱼类等,在南极海冰嗜冷绿藻基因组适应性进化研究方面尚未有报道。

南极衣藻究竟是怎样适应南极海冰复杂极端生境的呢?针对这一科学问题,研究团队利用先进基因测序技术、高通量染色体构象捕获技术等对南极衣藻基因组进行了测序、组装,首次破译了南极衣藻的全基因组,其基因组总长度为541.86Mb。

研究发现,南极衣藻基因组是目前已知最大的单胞绿藻基因组,基因数目是绿藻基因组中最多的,共有编码19870个基因。基因组结构分析发现重复序列占其基因组序列的63.78%,重复序列含量为已发表科研成果中绿藻基因组中最高的。基因组中反转录转座子发生了明显扩张,这是造成其基因组增大的主要原因。

据介绍,研究团队对南极衣藻基因组的演化历程进行了研究,估算了南极衣藻的分化时间大约为34个百万年,与南极德雷克海峡开放导致南极极端低温形成的时期一致,说明南极衣藻的起源与南极极端低温的形成有关。

研究团队还发现,南极衣藻通过水平基因转移的方式获得了冰结合蛋白,该蛋白可以与小的冰晶结合,具有抑制冰结晶生长的功能,能提高南极衣藻的抗冻能力。冰结合蛋白对南极衣藻避免冰冻损伤、适应海冰中极端低温环境极为关键,该外源基因是南极衣藻成功定植南极海冰生境的重要基础。

推动生物资源开发利用 

研究团队通过比较基因组、转录组分析,深入挖掘了南极衣藻适应南极复杂环境的基因与通路,基因组中参与低温、高盐、强紫外辐射响应的基因家族(如参与不饱和脂肪酸代谢、抗氧化系统、离子稳态、DNA损伤修复、光收集和光保护等通路的基因)发生了显著扩张。这些经历扩张的基因在胁迫环境下呈现了显著上调,并且生理生化分析发现其不饱和脂肪酸含量、抗氧化酶活性、可溶性脯氨酸的含量在胁迫下也显著升高,与经历扩张和上调的基因“家族”所在的通路一致。发现特定基因家族的扩张以及代谢过程中基因表达的改变是南极衣藻适应南极极端环境的重要生存策略。

该研究成果揭示了南极冰藻适应极端环境的分子机制与南极冰藻基因组的演化历程,为深入认识南极冰藻对极端环境适应机制提供了重要理论依据,为极地生物基因资源发掘、极地生物资源开发利用提供了重要科技支撑。

20多年来,缪锦来研究团队聚焦南极冰藻的极端环境适应性研究、南极冰藻资源开发利用,形成了海洋一所的重要学科特色和优势研究领域,从基因组学、蛋白组学、代谢组学、分子生物学、生物化学、生理学、生态学等视角,系统研究了南极冰藻极端环境适应机理,完成了20多篇硕士论文、10多篇博士论文,及包括70多篇SCI在内的90多篇较高水平论文成果。

研究团队认为,南极冰藻已成为研究低温生物学的优良材料,也是藻类养殖新型种质资源。积极开发利用南极低温藻类资源,可以丰富我国特殊藻种种质资源,为基础研究提供新型材料、新思路。同时,通过引种养殖冬季低温饵料藻种,不仅可利用冬季养殖闲置设施发展反季节藻类养殖产业,还可净化冬季养殖环境。此外,还可以开发南极冰藻中有价值的特殊活性物质和生物制品,为水产养殖业提供新的经济发展模式,具有重大经济、社会和生态效益。

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关键词: 海洋科技
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