布朗潮罪魁禍?zhǔn)诇y(cè)序藻類綻放物種的第一基因組
加利福尼亞州沃爾特克里克 - 藻類在全球碳循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,幫助隔離大量碳。一些藻類物種可以開(kāi)花或變得如此多,以至于它們使沿海水域褪色并減少生態(tài)系統(tǒng)中可利用的光和氧氣量。以前被稱為“赤潮”,二十年前引入了“有害藻類繁殖”(HABs)一詞,注意到藻類生物質(zhì)的積累有時(shí)也會(huì)使海水變成棕色或綠色,破壞生態(tài)系統(tǒng)或紅色水域有時(shí)可以是無(wú)害的。
2月21日在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上在線發(fā)表,由Igor Grigoriev領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)科學(xué)家組成的研究小組報(bào)告了第一個(gè)完整和注釋的基因組序列。一種HAB物種:Aureococcus anophagefferens。
乍一看,海洋浮游植物非常微小,其中50個(gè)并排跨越一根人類頭發(fā)的寬度,似乎是無(wú)害的。“它是一種光合生物,在碳循環(huán)中起著重要作用,特別是在沿海生態(tài)系統(tǒng)中,可以降解有機(jī)碳,”石溪大學(xué)的第一作者Christopher Gobler指出。“當(dāng)這些花朵中的一個(gè)發(fā)生并且每升產(chǎn)生十億個(gè)細(xì)胞時(shí),它代表每升的毫克碳,這比你在沿海生態(tài)系統(tǒng)中看到的要高得多。”通過(guò)測(cè)序其基因組或生物源代碼,科學(xué)家可以檢查它的“零件清單”提供了有關(guān)金黃色葡萄球菌捕獲二氧化碳的能力的線索,在不同的海洋環(huán)境中生存,在其蛋白質(zhì)中利用硒,并且超過(guò)其許多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
美國(guó)能源部JGI對(duì)來(lái)自紐約長(zhǎng)島海岸的文化分離樣本進(jìn)行了5600萬(wàn)個(gè)Aureococcus堿基對(duì)基因組的測(cè)序,這是25年前首次出現(xiàn)在東海岸時(shí)受微藻影響最大的地區(qū)之一。美國(guó)
然而,當(dāng)數(shù)十億個(gè)Aureococcus細(xì)胞聚集在一起時(shí),它們會(huì)超過(guò)該地區(qū)的其他海洋浮游植物,破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈,并對(duì)貝類產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)影響。在過(guò)去十年中,美國(guó)的這種和其他HAB現(xiàn)象造成的經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)為10億美元。
“在發(fā)布人類基因組草案后的十年中,JGI率先開(kāi)發(fā)了第一個(gè)硅藻,Ostreococcus和藍(lán)細(xì)菌的海洋藻類基因組學(xué),”格里戈里耶夫說(shuō)。“與這些可以棲息在相同河口的浮游植物相比,Aureococcus,它們勝過(guò)它們,顯示基因組編碼的優(yōu)勢(shì),從替代營(yíng)養(yǎng)素中受益,在變化的光照條件下生存,并編碼最大數(shù)量的硒蛋白(使用微量元素硒)到目前為止已知的基本細(xì)胞功能。“
Gobler詳細(xì)闡述了Aureococcus如何在沿海河口與其他浮游植物競(jìng)爭(zhēng)。“當(dāng)我們觀察到我們發(fā)現(xiàn)Aureococcus開(kāi)花的沿海生態(tài)系統(tǒng)時(shí),我們發(fā)現(xiàn)它們富含有機(jī)物質(zhì),非?;鞚岵⒏缓⒘拷饘?,”他說(shuō)。“當(dāng)我們觀察Aureococcus的基因組時(shí),它最終被豐富了基因以利用這些條件。令人驚訝的是基因組與生態(tài)系統(tǒng)之間的一致性。“
例如,這種光合微藻很適應(yīng)低光,并且可以在無(wú)光條件下長(zhǎng)期存活?;蚪M研究顯示,Aureococcus有62個(gè)光捕獲基因,而其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手平均有幾十個(gè)這些基因。
“我認(rèn)為這篇論文說(shuō)明了一切,”伍茲霍爾海洋研究所的高級(jí)科學(xué)家唐安德森說(shuō),他研究了數(shù)十年來(lái)有害的藻類繁殖,并且是該領(lǐng)域研究工作的不懈推動(dòng)者。“幾十年來(lái),科學(xué)家們一直試圖理解為什么這種物種在開(kāi)花時(shí)會(huì)開(kāi)花,當(dāng)水中有如此多的其他競(jìng)爭(zhēng)物種時(shí),它如何能夠占主導(dǎo)地位。通過(guò)這種新的基因組數(shù)據(jù),我們有了一種新的方法。我們得到了基于這些基因的答案,盡管我們?nèi)匀恍枰渌椒▉?lái)收集相關(guān)的海洋學(xué)和化學(xué)數(shù)據(jù),以及從基因的存在和缺失中得出的推論。這是一個(gè)偉大的進(jìn)步 - 對(duì)我們的社區(qū)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的資源。盡管HAB物種之間存在重大差異,但我們了解了Aureococcus通過(guò)這種方法,這些知識(shí)將有助于我們與其他HAB物種取得類似的進(jìn)展。“
Gobler說(shuō),數(shù)據(jù)產(chǎn)生的一個(gè)研究領(lǐng)域涉及這些捕光基因。“我們知道,隨著盛行的發(fā)生,河口的光線水平逐漸降低,變得更加渾濁。我們可以看到Aureococcus中表達(dá)的光捕獲蛋白在開(kāi)花時(shí)會(huì)開(kāi)啟嗎?“他問(wèn)道。“除了基因表達(dá),蛋白質(zhì)組學(xué)和研究在花期間合成的蛋白質(zhì)也是未來(lái)研究的其他領(lǐng)域。”
DOE JGI的Grigoriev還指出,將基因組測(cè)序與其他技術(shù)相結(jié)合的多學(xué)科方法使研究人員能夠探索生態(tài)基因組學(xué)的新領(lǐng)域,這與生物地球化學(xué)中的DOE使命密切相關(guān)。“將生態(tài)系統(tǒng)的物理化學(xué)參數(shù)與其居民的基因組潛力相對(duì)齊,使我們能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境的變化。有害的藻類大量繁殖是最近報(bào)道的現(xiàn)象,可能與海岸線上不斷增長(zhǎng)的人口有關(guān),這為Aureococcus茁壯成長(zhǎng)創(chuàng)造了條件,從而對(duì)河口產(chǎn)生了不利影響。另一方面,大量的藻類大量繁殖可以減少大氣中的二氧化碳。因此,通過(guò)采用生態(tài)基因組學(xué)方法,我們可以開(kāi)始建立目標(biāo)環(huán)境的平衡模型。“
Gobler說(shuō),這項(xiàng)工作表明了管理的下一步。“我們現(xiàn)在知道這種生物體在遺傳上傾向于利用沿海生態(tài)系統(tǒng)的某些特征。我們也知道因?yàn)槿说幕顒?dòng)而存在的特征。如果我們繼續(xù)增加,例如沿海水域的有機(jī)物質(zhì),那么它將繼續(xù)有利于棕色潮汐,因?yàn)樗谶@些條件下具有遺傳傾向于茁壯成長(zhǎng)。“
美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所在美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的支持下,致力于推進(jìn)基因組學(xué)研究,以支持與清潔能源生產(chǎn),環(huán)境特征描述和清理相關(guān)的DOE任務(wù)??偛课挥诩永D醽喼軼alnut Creek的DOE JGI提供集成的高通量測(cè)序和計(jì)算分析,使基于系統(tǒng)的科學(xué)方法能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
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