近日，中国科学院海洋研究所陈楠生团队在Communications Biology期刊发表论文“伪菱形藻软骨藻酸毒素合成基因的起源与演化”，在成功构建13种伪菱形藻属（Pseudo-nitzschia）物种基因组的基础上，通过比较基因组分析，探讨了神经毒素软骨藻酸（domoic acid）合成基因的起源与演化机制。
1987年在加拿大爱德华王子岛暴发的多列伪菱形藻（Pseudo-nitzschia multiseries）藻华导致3人死亡和100余人住院治疗，引起全球关注，研究发现多列伪菱形藻合成的神经毒素软骨藻酸是致病因素。近年来，伪菱形藻藻华在全球海域频发，对生态环境及人类和海洋动物健康造成了极大的负面影响，其中影响最大的于2015年春季发生在太平洋西北海岸，主要由澳洲伪菱形藻（Pseudo-nitzschia australis）引发，其胞内软骨藻酸毒素达到了历史最高水平，导致美国象拔蚌、珍宝蟹、岩石蟹捕捞关闭以及加拿大贝类捕捞的关闭。迄今为止，全球共有61种伪菱形藻物种得到鉴定，其中在29种中检测到了软骨藻酸毒素。我国海域检测到了包括多列伪菱形藻和尖刺伪菱形藻等（Pseudo-nitzschia cuspidata）11种产毒伪菱形藻物种，也检测到了软骨藻酸的累积，具有极大的生态风险。然而，绝大多数的产毒伪菱形藻的近缘物种为非产毒伪菱形藻物种，表明毒素合成基因具有复杂的起源和演化历史。美国科学家通过比较转录组分析于2018年成功解析了多列伪菱形藻的软骨藻酸合成基因，这一发现为解析伪菱形藻毒素合成基因的起源和演化提供了契机。
该研究利用三代DNA测序技术以及Hi-C基因组辅助组装方法，首次成功构建了伪菱形藻属3个物种的染色体水平基因组，包括尖刺伪菱形藻（Pseudo-nitzschia pungens）、柔弱伪菱形藻（Pseudo-nitzschia delicatissima）和多列伪菱形藻。为了开展比较基因组研究，探索软骨藻酸毒素合成基因的起源与演化机制，团队构建了另外10个伪菱形藻属物种的基因组草图。通过比较基因组分析、遗传进化分析和蛋白质结构的AlphaFold2模拟分析，科研人员提出了“一次获得、多次独立丢失（SAMIL）”的软骨藻酸毒素合成基因的起源与演化模型。该研究为解析伪菱形藻物种毒素合成基因的起源与演化提供了依据，将促进更加系统的研究，也为开发针对产毒伪菱形藻的快速检测技术提供了支撑。
该项目由中国科学院海洋生态及环境科学重点实验室陈楠生团队联合马来西亚大学海洋与地球物理研究所廖翠萍（Chui Pin Leaw）教授团队共同完成，博士生何子岩和徐青为共同第一作者，陈阳、刘淑雅、宋会银和王绘参加了该研究，陈楠生为通讯作者。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）等项目资助。
文章信息:
Ziyan He#, Qing Xu#, Yang Chen, Shuya Liu, Huiyin Song, Hui Wang, Chui Pin Leaw, Nansheng Chen*. Acquisition and evolution of the neurotoxin domoic acid biosynthesis gene cluster in Pseudo-nitzschia species. Communications Biology, 7: 1378 (2024).
https://doi.org/10.1038/s42003-024-07068-7.
