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我国科学家发现南极嗜冷绿藻适应极端环境新机制

时间:2020.07.07 来源:资环中心 字号

2020年7月2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生物学综合领域的国际顶级刊物《Current Biology》 (Cell子刊,影响因子:9.601)在线发表了题为“Adaptation to Extreme Antarctic Environments Revealed by the Genome of a Sea Ice Green Alga”的最新研究成果,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。我所缪锦来研究员为该论文通讯编辑,曲长凤助理研究员为共同第一编辑。

图1 南极衣藻的形态特征、基因组特征与基因家族扩张分析

南极衣藻(Chlamydomonas sp. ICE-L)是一种典型的单细胞嗜冷绿藻,能旺盛生长繁殖于南极极端严酷生境中。在海冰冻融过程中,它经历海水与海冰盐囊两种反差巨大生境,需要承受极端低温、剧烈盐度与紫外辐射变化以及光照波动等环境胁迫。南极衣藻进行了一系列适应性进化,出色地适应了极地海冰中复杂的极端生境,可成为极端环境适应性进化研究的模式藻种。

该研究首次破译了南极衣藻的基因组,其基因组总长度为541.86Mb,是目前已知最大的绿藻基因组;编码19870个基因,在绿藻基因组中编码基因最多;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。通过比较基因组和转录组分析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、高盐和强紫外辐射响应的基因家族发生了显著扩张,这些经历扩张的基因在胁迫下也呈现了显著上调,说明扩张基因同时也能在转录水平积极响应了环境胁迫,这是南极衣藻适应南极极端环境的重要生存策略。该研究揭示了南极嗜冷绿藻基因组的演化历程,估算出南极衣藻的分化时间大约为34个百万年,与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。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,为深入理解南极冰藻对极端环境适应机制提供了重要理论依据,是实现极地资源发掘和开发利用的重要基础。

南极冰藻研究是我所泰山产业领军人才缪锦来研究团队的重要研究方向之一,是国内该领域研究开拓者,研究团队二十多年来长期致力于南极冰藻的极端环境适应性研究与南极冰藻资源的开发利用,形成了我所显著学科特色和优势研究领域。从基因组学、蛋白组学、代谢组学以及分子生物学、生物化学、生理学、生态学等不同视角,系统研究了南极冰藻的极端环境适应机理,完成了20多篇硕士论文、10多篇博士论文以及包括70多篇SCI在内的90多篇较高水平的论文成果。这些研究成果为极地特殊生物功能基因资源的开发利用奠定了基础,为我国极地生物资源研究与开发利用提供了重要科技支撑。


图2 南极衣藻的分化时间、水平基因转移事件及其极端环境适应策略

该研究得到缪锦来主持的国家重点研发计划课题(2018YFD0900705)以及国家自然科学基金(41576187)等项目支撑。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.06.029


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