硅藻是一種常見的光合微生物，存在于從海洋到土壤的許多環(huán)境中; 在海洋中，它們是光合作用過程中捕獲的全球海洋碳的三分之一以上的原因。這導致大量的隔離碳結(jié)束在海底的沉積物中。在淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中，食物網(wǎng)的基礎由不同的浮游植物群組成，其中包括能夠在各種溫度下茁壯成長的硅藻。在南部或南極海洋中，特定硅藻(Fragilariopsis cylindrus)的大量種群主導著浮游植物群落。

為了解更多關于F. cylindrus如何適應其極寒的環(huán)境，由英國諾里奇的東英吉利大學(UEA)科學家領導的一個團隊通過利用美國能源部聯(lián)合基因組的專業(yè)知識，對三種硅藻進行了比較基因組分析。研究所(DOE JGI)負責所有測序和注釋。結(jié)果于2017 年1月16日在線發(fā)表在“ 自然 ”雜志上，提供了對圓柱花序的基因組結(jié)構(gòu)和進化的見解，以及硅藻在南大洋中的作用。特別感興趣的是F. cylindrus，它是二倍體(每個染色體有兩個拷貝，因此每個基因的兩個版本)可以選擇性地表達最適合幫助它處理環(huán)境的變體。隨著環(huán)境的變化，這為生物體提供了額外的基因組根系恢復力。

“包括浮游植物在內(nèi)的許多物種都是南大洋的特有物種，”領導這項研究的東英吉利大學的托馬斯莫克說。“他們已經(jīng)發(fā)展了數(shù)百萬年，能夠應對這種極端變化的環(huán)境。他們?nèi)绾巫龅竭@一點在很大程 因此，我們的數(shù)據(jù)提供了關于支撐地球上最大和獨特的海洋生態(tài)系統(tǒng)之一的這些關鍵生物如何進化的初步見解。“

為了在南大洋茁壯成長，F(xiàn). cylindrus必須對各種條件做出反應，包括黑暗，冷凍和解凍溫度，以及不同水平的二氧化碳和鐵。例如，像許多浮游植物一樣，F(xiàn)。cylindrus在冬天被海冰困住，并在夏季大部分海冰融化時被釋放。

F. cylindrus的6000萬堿基對(Megabase或Mb)基因組被測序為DOE JGI 2007 社區(qū)科學計劃組合的一部分?；蚪M裝配的初始版本于2010年提供，分析基因組需要六年多和多個群體，包括基因組學家和群體遺傳學家。對于比較分析，將其基因組與硅藻(Thalassiosira pseudonana)和三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)的基因組進行了比較，這兩種硅藻均存在于溫度較高的溶解鐵濃度的海洋中。這些硅藻基因組先前由DOE JGI報道。

分析顯示，近四分之一的F. cylindrus基因組包含高度分歧的等位基因，在其他硅藻中發(fā)現(xiàn)的相同基因的拷貝，但是通過積累突變而分歧。研究小組發(fā)現(xiàn)，這種等位基因分歧似乎與最近的冰川時期相吻合，這一時期始于11萬年前。“能夠發(fā)現(xiàn)相同基因的不同等位基因發(fā)散并進化以應對各種環(huán)境因素，這是非常了不起的，” 美國能源部JGI真菌基因組學負責人兼高級研究作者Igor Grigoriev說。

Mock指出，研究小組還發(fā)現(xiàn)許多基因?qū)τ贔. cylindrus是 “獨特的” ，例如冰結(jié)合蛋白和視紫紅質(zhì)。他補充說，他們觀察到許多具有鋅結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，因為南大洋的鋅濃度很高，而在任何其他浮游植物基因組中都沒有發(fā)現(xiàn)。鋅結(jié)合蛋白家族似乎在過去的3000萬年內(nèi)得到了擴展。

“發(fā)現(xiàn)F. cylindrus種群維持并支持廣泛的變異，以便在惡劣的環(huán)境條件下提供種群的適應能力，這對我們理解自然種群對不斷變化的環(huán)境條件有著廣泛的影響，” Jeremy Schmutz說。，DOE JGI工廠計劃負責人和研究合著者。“在個體基因型水平上，在變化的條件下觀察到的從基因的一個單倍型拷貝到另一個單倍型拷貝的表達轉(zhuǎn)換證明了自然界中存在的存活機制的復雜性，用于將可用的基因組變異和內(nèi)容翻譯成環(huán)境響應。對于大多數(shù)二倍體真核生物，我們認為單獨的單倍型基本上是多余的，并產(chǎn)生單個單倍型參考，但它出現(xiàn)在F. cylindrus的情況下兩種單倍型的主要變異對物種的存活和適應至關重要，可能包含調(diào)節(jié)內(nèi)容的變化。這可能會改變社區(qū)對海洋居住的真核生物進行基因組技術和分析的方式。“