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华大解析超级生命力:活着纯靠“裸奔”,为什么还能抵抗90℃高温?

发布日期:2022/05/17

近日,植物学领域国际权威刊物《新植物学家》(New Phytologist)在线发表深圳华大生命科学研究院、德国马普合作研究成果。该研究发布了平藻纲首个染色体水平绿藻基因组,揭示了作为无细胞壁“裸藻”的小型平藻适应外界环境压力的分子机制,同时也为研究绿藻门核心群的早期进化提供高质量数据支持。

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New Phytologist 官网截图

藻类作为相对低等古老的植物祖先,虽然往往以食物的形式被大众认知,但它也是我们了解植物演化的核心部分。

我们都知道,植物通常由千万个具有细胞壁保护层的细胞组合而成,这在很大程度上决定了它们的广泛适应性。相较之下,单细胞藻类为何能够具有如此强大的生命力?对于这一奇特的遗传机制,科学家们正以基因组学作为解析其神秘面纱的核心工具。

一直以来,科学家把绿色植物分为链形植物和绿藻门两大分支,2020年华大联合国际科学家发现绿色植物的第三个分支“华藻门”,改写了植物演化的家族谱系。

裸藻是一类单细胞原生生物,在地球上已生存超5亿年时间,其眼虫藻纲于17世纪被列文虎克最先发现。因其细胞外面没有细胞壁,故被植物学家称为“裸藻”。

此次发表的研究中以小型平藻Pedinomonas minor)为材料,该藻属绿藻门中的平藻纲,栖息在淡水环境中,没有细胞壁,只被质膜包围,是一种极具代表性的单细胞“裸藻”生物。
特别的是,小型平藻可以在经常干涸的栖息地生存,并从容应对高温、强光、干燥等外界环境的波动。据此前研究发现,小型平藻的孢囊可以在90℃的温度下存活1小时而不丧失活力,其营养细胞在35-40℃的温度下存活15分钟而不丧失活力。
研究团队首先通过系统发育学与比较基因组学分析,明确了小型平藻及其所在平藻纲位于绿藻核心群分支的基部位置。同时,研究团队根据小型平藻自身基因组的一段特殊区域推测,由于被一种古老的核质大DNA病毒(NCLDVs)感染,小型平藻基因组中整合了病毒序列及其携带的外源基因序列,其在小型平藻基因组的进化过程中发挥了重要的作用。
探究小型平藻如何适应外界环境压力是本研究最关注的问题之一。通过与其它代表性绿藻物种的基因家族比较分析,研究发现小型平藻基因组中有4个与压力相关基因家族发生明显扩张,并鉴定了小型平藻编码的嗜热蛋白酶和转录因子HSF分别是通过细菌和真菌水平基因转移而获得。

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为进一步探究小型平藻应对非生物胁迫的响应机制,研究团队对该物种分别施加干燥、高温和强光三种压力,并进行了转录组测序分析。研究结果表明,不同压力处理下小型平藻在不同通路的部分基因均发生了表达上的明显变化。

本次研究结合比较基因组学和转录组的分析,揭示了 “裸藻”小型平藻应对环境压力的分子机制——核质大DNA病毒感染这一古老的整合事件使小型平藻获得一些重要的外源性基因资源,包括一些重要的抗性基因,它们在转座子的驱动下进行了扩增,进而帮助小型平藻可以适应外界波动的环境压力和应对如强光、干燥和高温等一系列非生物胁迫。

中国科学院大学华大基因学院在读博士徐妍为该论文第一作者。深圳华大生命科学研究院农业基因组学国家重点实验室刘欢、王思博,德国马普所Micheal Melkonian为论文共同通讯作者。该项目得到广东省高通量基因组测序与合成编辑应用重点实验室计划项目(2017B030301011)支持。


论文链接:

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18220