《海草基因组揭示了古老的多倍体和对海洋环境的适应》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: liguiju
  • 发布时间:2024-02-29
  • 根特大学的一项研究揭示了三个独立进化的海草谱系代表物种的染色体水平基因组组装:Posidonia oceanica, Cymodocea nodosa, Thalassia testudinum和Zostera marina。研究还构建了属于Zosteraceae淡水姊妹谱系的acutifolius Potamogeton基因组草图。所有海草物种都有一个古老的全基因组复制,而C. nodosa、Z. marina和P. acutifolius则被发现了额外的全基因组复制。对选定基因家族的比较分析表明,从水下淡水环境到水下海洋环境的转变主要涉及多个过程的微调(如渗透调节、盐度、光捕获、碳获取和温度),这些过程必须同时发生,这可能解释了为什么适应海洋的物种极其罕见。物种在演化过程中最终适应海洋的原因与气孔、挥发物、防御和木质化有关的主要基因损失有关。这些新的基因组将加速生态系统功能研究和气候解决方案的提出,因为在气候变化和生物多样性丧失的时代,“海洋稀树大草原”的持续损失是一个重要问题。(王琳 编译;熊萍 校稿)

  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41477-023-01608-5
相关报告
  • 《分子植物卓越中心揭示多倍体杂草适应人类环境的快速进化机制》

    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2023-02-08
    • 杂草影响农业生产,因此探究杂草的起源以及如何适应农田环境对于杂草的科学治理必不可少。Grime提出的CSR生活史对策模型将植物分为竞争型(C)、耐受型(S)和杂草型(R)。为了适应农田、苗圃等低胁迫、高干扰的生活环境,抗干扰型杂草(Ruderal weeds)将能量主要分配给生殖生长,具有生命周期短、种子数量多等典型特征,但背后的遗传学基础目前尚不清楚。同时,“人类-作物-杂草”已成为探讨人类活动对生态系统和物种进化影响的重要系统。杂草快速进化、适应环境的机制的研究可以帮助科学家剖析新物种起源与进化的基本原理。   1月18日,《自然-通讯》(Nature Communications)在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组撰写的题为Common evolutionary trajectory of short life-cycle in Brassicaceae ruderal weeds的研究论文。该研究以十字花科多倍体杂草碎米荠(Cardamine occulta)为研究对象,运用基因组组装、群体进化分析、遗传学和分子生物学等手段,发现转录因子FLC(FLOWERING LOCUS C)的功能缺失以及蓝光受体CRY2(CRYPTOCHROME 2)的持续激活型突变是C.occulta生命周期缩短、适应高干扰环境的遗传学基础,并进一步在另一种杂草蔊菜(Rorippa palustris)中发现CRY2具有类似的突变,提出了以“FLC-CRY2”为核心、进化上保守的十字花科杂草进化路径。   该研究以非模式物种——十字花科的八倍体杂草C.occulta作为研究对象,对其基因组进行从头组装和注释,并对采集自起源地的87个C.occulta样本进行重测序与群体进化分析,发现其中一个进化分支分布最为广泛,能够适应人类活动的频繁干扰并随人类活动扩散。该分支在分化过程中经历了强烈的瓶颈效应,与近缘分支在开花调控途径上遗传分化显著,无法响应春化途径或光周期途径,在未经春化或者短日照条件下提前开花。研究通过遗传群体的BSA分析以及转基因植株的功能验证,定位并证实了FLC和CRY2是C.occulta无法响应春化途径和光周期途径的遗传学基础。其中,FLC发生了无义突变,翻译提前终止,形成了截短的无功能的蛋白;而CRY2发生了错义突变,形成了持续激活的CRY2蛋白。两者的相继突变使C.occulta开花提前进而生命周期缩短,形成了典型的杂草特征,得以在干扰前将种子散播出去,以此抵御干扰对繁殖后代的影响,适应人类活动频繁的环境。进一步,研究在另一种十字花科杂草R.palustris中发现CRY2也存在同样持续激活的类似突变,说明类似突变在杂草进化中具有保守性。该研究首次建立了抗高干扰型杂草模式物种,发现了FLC和CRY2突变是杂草相关性状演化的遗传学基础,提出了十字花科杂草的共同进化路径。   研究工作得到国家自然科学基金基础科学中心项目、创新研究群体项目以及中国科学院战略性先导科技专项的支持。
  • 《研究揭示海洋巨型单细胞多核钙化藻基因组异源多倍化与生物钙化机制》

    • 来源专题:深海资源开发
    • 编译者:徐冰烨
    • 发布时间:2024-09-24
    • 近日,中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室研究员林强团队,联合厦门大学、美国康涅狄格大学等的科研人员,获得了海洋典型钙化藻——仙掌藻和叉节藻的全基因组,揭示了仙掌藻基因组异源多倍化与不对称进化机制,阐明了钙化藻生物钙化与单细胞多核发生的遗传与分子调控机理。 仙掌藻是一类胞外钙化绿藻。尽管仙掌藻植株能够生长至30厘米,却由一个管状细胞构成。它是真正的“巨型单细胞”。叉节藻则是一类次级细胞壁内钙化的红藻,主要生活在浅海的岛礁区域。已有研究表明,藻类的钙化性状影响其对岛礁环境的适应能力,如机械稳定性增强、抵御捕食者和光合效率升高等,从而维持较高的生长速率和生物量。尽管学术界关注海洋钙化藻的发生与演化规律,但藻类钙化复杂性状的进化与遗传学基础及其分子调控机制尚不清楚。 针对钙化藻具有细菌污染程度高的特征,该团队构建了全基因组细菌序列去除方案,获得了高质量的仙掌藻和叉节藻基因组。基于此,该团队揭示了仙掌藻“巨型单细胞”通过调节细胞质内细胞核数量、倍性以及扩张细胞骨架动力调控和相关转录因子基因家族来维持巨大体型。同时,研究发现,Myo8基因丢失可能导致胞质不能正常分裂,进而造成单细胞多核的性状。 该研究发现了仙掌藻是AAAB型的异源多倍体,并分离了仙掌藻的4套亚基因组。基因组结构进化分析揭示了4套亚基因组的不对称进化特征。其中,S1亚基因组占据主导地位,编码了更多参与离子运输、有机酸生物合成、碱基合成等生物学过程的高表达直系同源基因,并同步富集了编码Ca2+运输的基因,这表明仙掌藻基因组多倍化与其钙化性状的耦合关系。 进一步,研究发现,仙掌藻多倍化和亚基因组分化与海平面降低和大气CO2升高等事件吻合。海平面降低导致藻体暴露在高光强与紫外线下,而海水酸化则促进藻体钙质溶解;仙掌藻通过全基因组复制增强基因多样性以应对胁迫环境,在生态位竞争中占据优势并快速实现种群扩张。这一推论在珊瑚礁钻井的生物地层演化研究中得到印证。研究显示,礁体大型钙化藻暴发约在690万年至600万年前和360万年至150万年前,均发生在仙掌藻亚基因组分化和多倍化之后。 针对仙掌藻和脆叉节藻的钙化模式的差异,该研究揭示了仙掌藻胞外钙化和脆叉节藻次级细胞壁钙化的遗传调控特征。研究发现,两种钙化藻在实现钙化区域的钙化离子饱和与分泌有机基底促进晶体成核发育方面存在差异。仙掌藻中转运钙化离子的Pmca、V-ATPase和Slc4特异性扩张,而脆叉节藻扩张了催化碳酸盐体系离子转化的胞外CA。在有机基底方面,仙掌藻扩张Col1a和Fn3,而脆叉节藻扩张细胞壁内多聚糖和糖蛋白合成基因家族。多组学联合解析表明,仙掌藻的钙化反应与光合作用耦合,属于“生物学过程诱导”的钙化模式。 9月20日,相关研究成果以Genome of Halimeda opuntia reveals differentiation of subgenomes and molecular bases of multinucleation and calcification in algae为题,在线发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。