為了減輕大氣中的碳排放，研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向沉積和儲(chǔ)存碳的水槽 - 如熱帶雨林，但也包括各種陸地植物和海洋。然而，另一個(gè)鮮為人知但非常大的碳匯位于地球的軟沉積物海岸線上。

沿海海草生態(tài)系統(tǒng)覆蓋面積約20萬(wàn)平方公里。它們占全球海洋碳固定量的15%左右，也影響硫和氮循環(huán)。此外，它們還可作為幼魚(yú)和其他生物的托兒所，保護(hù)海岸線免受侵蝕，并有助于保持水的清澈。

第一個(gè)海洋被子植物基因組

2016年1月27日發(fā)表在Nature雜志上，這是一個(gè)歐洲團(tuán)隊(duì)，包括來(lái)自美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的研究人員，DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，對(duì)海草基因組進(jìn)行了測(cè)序：采集了鰻草Zostera碼頭的海草基因組。來(lái)自芬蘭群島海。盡管有這個(gè)名字，但是鰻草不是真正的禾本科植物，而是完全沉沒(méi)的海洋開(kāi)花植物或被子植物，以及古代單子葉植物家族的成員。為了更好地了解植物在返回海水環(huán)境中所做的適應(yīng)性，該團(tuán)隊(duì)將鰻草基因組與其淡水相關(guān)的大浮萍(Spirodela polyrhiza)進(jìn)行了比較。浮萍基因組也是由DOE JGI進(jìn)行測(cè)序和分析。

Zostera碼頭遍布整個(gè)北半球，是第一個(gè)完全測(cè)序的海洋開(kāi)花植物，通過(guò)DOE JGI的社區(qū)科學(xué)計(jì)劃完成。作為沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)物種，研究人員有興趣了解植物 - 以及生態(tài)系統(tǒng)中其他植物 - 如何適應(yīng)氣候變化。

在適應(yīng)水下生活方式時(shí)，鰻草獲得的基因使其能夠生活在咸水中，但失去了與陸地植物相關(guān)的基因。該團(tuán)隊(duì)有興趣確定在Zostera碼頭返回大海時(shí)經(jīng)歷重大修改的途徑。

荷蘭格羅寧根大學(xué)的研究第一作者Jeanine Olsen稱這種“可以說(shuō)是陸地(甚至是淡水)物種可以接受的最極端的適應(yīng)。”按照她所描述的“使用它，失去它或改變它” “情景，eelgrass修改了它的細(xì)胞壁 - 這是獨(dú)特的海藻樣 - 和與光敏感，植物防御和信號(hào)傳導(dǎo)，授粉系統(tǒng)和內(nèi)部水平衡調(diào)節(jié)相關(guān)的基因。Zostera碼頭失去了與紫外線防護(hù)和各種揮發(fā)物(包括萜烯烴類)相關(guān)的基因，這些物質(zhì)具有作為先進(jìn)燃料替代來(lái)源的應(yīng)用。

比較淡水和咸水植物基因組

研究小組將鰻草基因組與浮萍進(jìn)行了比較，浮萍是最簡(jiǎn)單的開(kāi)花植物之一，也是Zostera碼頭最接近的相對(duì)序列。他們注意到由于適應(yīng)淡水或陸地條件而與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)相關(guān)的基因的差異。例如，浮萍等植物似乎失去了幫助植物在細(xì)胞壁中保留水分的基因，而鰻草已經(jīng)重新獲得這些基因以更好地應(yīng)對(duì)低潮時(shí)的滲透壓。

“他們已經(jīng)重新設(shè)計(jì)了自己，”奧爾森說(shuō)，影響鰻草細(xì)胞壁的變化。“雖然這已經(jīng)在生物化學(xué)上已知多年，但是為細(xì)胞壁基質(zhì)產(chǎn)生這些硫酸化多糖的潛在途徑，結(jié)合低甲基化果膠(zosterin)的擴(kuò)增，現(xiàn)在已經(jīng)被揭開(kāi)，并且它們強(qiáng)烈的負(fù)電荷性質(zhì)被假設(shè)為幫助保護(hù)細(xì)胞免受滲透壓。作物育種者可以從這些植物中耐鹽性如何演變的課程中受益。“

隨著Zostera碼頭草甸從阿拉斯加延伸到下加利福尼亞州，從白海延伸到葡萄牙南部，奧爾森指出，這些生態(tài)系統(tǒng)為研究人員提供了“一個(gè)自然實(shí)驗(yàn)，研究對(duì)溫暖或較冷水域的快速適應(yīng)，以及耐鹽性，海洋酸化和光。“

更多地了解生態(tài)進(jìn)化相互作用也與基于基因組學(xué)的早期預(yù)警指標(biāo)的發(fā)展相關(guān)，這些預(yù)警指標(biāo)可能預(yù)示著海草生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。美國(guó)能源部JGI工廠計(jì)劃負(fù)責(zé)人Jeremy Schmutz強(qiáng)調(diào)，雖然鰻草是沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵參與者，并被認(rèn)為是“海洋之肺”，但它們也是瀕臨滅絕的。“據(jù)估計(jì)，全球近三分之一的鰻草草甸已經(jīng)被徑流淹沒(méi)到海洋中，”他說(shuō)，“減少了它們作為碳匯的潛在能力。因此，研究鰻草的適應(yīng)能力是協(xié)助保護(hù)工作的迫切需要。“