海洋所在綠潮藻葉綠體基因組進化機理研究上取得新進展
石莼屬(Ulva)海藻是一類具有重要生態(tài)功能和開發(fā)潛力的經(jīng)濟海藻,同時也是一類可以暴發(fā)性生長導致綠潮災害的大型綠藻,在全球范圍內(nèi)廣泛分布。中科院海洋所海洋生態(tài)環(huán)境基因組學團隊圍繞石莼屬綠藻葉綠體基因組進化機理開展研究,取得重要進展。
通過對石莼綱葉綠體基因組的比較研究,發(fā)現(xiàn)石莼屬葉綠體基因組在進化過程中通過在基因組層面作用于GC含量的強選擇方式,極大地降低了基因組的GC含量。石莼屬葉綠體基因組GC含量只有23.89-26.25%,其含量水平是在目前已知藻類中最低。這種極端方式的建立很可能賦予了石莼屬綠藻重要的優(yōu)勢,這有助于節(jié)省葉綠體的能量、減少對氮的需求,優(yōu)化物質(zhì)和能量分配,更有助于石莼屬綠藻的生長和生物量的積累。
研究發(fā)現(xiàn)石莼屬葉綠體基因組含有數(shù)量多且類型多樣的內(nèi)含子,包括不同的I型和II型內(nèi)含子家族,涉及到不同的核酸酶和反轉(zhuǎn)錄酶類型(內(nèi)含子編碼蛋白);內(nèi)含子主要分布在GC含量較高的葉綠體蛋白編碼基因中,這種分布模式有別于其它的綠藻支系;同時I型和II型內(nèi)含子存在頻繁的歸巢和退化現(xiàn)象,并且內(nèi)含子由異質(zhì)性向同質(zhì)性轉(zhuǎn)變,推測在推動葉綠體基因組進化過程中發(fā)揮作用。
同時發(fā)現(xiàn)了一類新的葉綠體特異開放閱讀框(ORF),廣泛存在于不同石莼屬物種的葉綠體基因組中,這類特異ORF與葉綠體基因展現(xiàn)出不同的進化路徑,無法反映石莼屬的系統(tǒng)演化關(guān)系,但攜帶這類ORF的外源片段頻繁地入侵到葉綠體基因組中,并且與基因組重排展現(xiàn)出緊密的關(guān)系,這一發(fā)現(xiàn)有助于解釋葉綠體基因組的多樣性和基因組重排的驅(qū)動機制;同時發(fā)現(xiàn)石莼屬葉綠體基因組丟失反向重復區(qū)(IR)后,出現(xiàn)了基因簇的分區(qū)模式變化,基因簇重排的范圍顯著擴張。上述研究發(fā)現(xiàn)提升了我們對綠藻葉綠體基因組進化特點和趨勢的認識,對于深入理解綠潮藻葉綠體基因組的進化驅(qū)動力和物種形成機制具有重要意義。
相關(guān)研究成果在國際學術(shù)期刊Frontiers in Plant Science發(fā)表,上述研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、科技部科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項等資助,劉峰研究員為該成果第一兼通訊作者,參與完成該成果的合作者還有中科院海洋所的陳楠生研究員、碩士研究生王洪淑和李嘉敏、助理研究員王靜和曲凡。
相關(guān)成果及鏈接如下:
Liu F, Chen N, Wang H, Li J, Wang J, Qu F (2023) Novel insights into chloroplast genome evolution in the green macroalgal genus Ulva (Ulvophyceae, Chlorophyta). Front. Plant Sci. 14:1126175.
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2023.1126175/full

圖1 石莼屬葉綠體基因組表現(xiàn)為低GC含量和結(jié)構(gòu)更為緊湊

圖2 石莼屬葉綠體內(nèi)含子的GC特征和屬內(nèi)系統(tǒng)進化關(guān)系

圖3 石莼屬綠潮藻葉綠體基因組基因順序比較
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