海洋所發(fā)布首個船斑菱形藻軟骨藻酸合成基因序列并探討其起源與演化
中國科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室陳楠生研究團隊發(fā)布了首個菱形藻屬物種船斑菱形藻(Nitzschia navis-varingica)的軟骨藻酸(domoic acid, DA)合成基因序列,并利用比較基因組學(xué)方法探討了軟骨藻酸合成基因的起源與演化。這項成果近期發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Harmful Algae。
自1987年加拿大愛德華王子島發(fā)生偽菱形藻(Pseudo-nitzschia)污染貽貝致3人死亡、逾百人患病事件以來,產(chǎn)毒偽菱形藻引起了全球藻類科學(xué)家的廣泛關(guān)注。偽菱形藻合成的DA毒素可通過食物鏈引發(fā)人類失憶性貝類中毒。該事件的爆發(fā)促使藻類學(xué)家開始在全球范圍內(nèi)尋找和鑒定更多的產(chǎn)毒偽菱形藻屬物種,導(dǎo)致了很多新種的發(fā)現(xiàn)和描述。迄今,62個偽菱形藻物種得到了鑒定和描述。在尋找產(chǎn)毒偽菱形藻的過程中,日本科學(xué)家Yuichi Kotaki于2000年在越南的一個對蝦養(yǎng)殖池中找到了一種形態(tài)與偽菱形藻相似的菱形藻屬底棲硅藻船斑菱形藻,發(fā)現(xiàn)該藻也能夠合成DA。隨后馬來亞大學(xué)廖翠萍和林保澄等發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)毒菱形藻屬物種在亞太西部海域分布廣泛。不僅如此,研究還發(fā)現(xiàn)除DA外,船斑菱形藻還能合成多種DA異構(gòu)體IA和IB,顯示該物種的毒素合成能力有別于偽菱形藻物種,也表明該物種的基因組的毒素合成基因可能具有其特殊性。比較基因組分析顯示,該藻種內(nèi)存在高度遺傳多樣性,至少可劃分為8個不同的ITS2基因型分支,提示不同基因型可能具有差異化的DA及其異構(gòu)體合成能力。然而,這種遺傳多樣性與其潛在毒性差異的關(guān)聯(lián)機制仍有待闡明。
2018年,美國科學(xué)家通過比較轉(zhuǎn)錄組分析以及化學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)并證明了偽菱形藻的DA合成基因,包括4個形成串聯(lián)基因簇的基因,dabA、dabB、dabC和dabD(Brunson et al., Science, 2018)。該項里程碑式的研究為鑒定物種的DA合成基因,跟蹤DA合成基因的演化路徑提供了抓手。最近,陳楠生研究員團隊利用這些DA毒素合成基因為參考,結(jié)合偽菱形藻基因組的構(gòu)建和比較分析,提出了偽菱形藻DA合成基因的“一次獲得,多次獨立丟失模型”(He et al., Communications Biology, 2024)。
最近,陳楠生研究團隊通過與馬來亞大學(xué)的廖翠萍教授和林保澄教授合作,獲得了采集自西太平洋海域的37株船斑菱形藻的DNA樣本。通過全基因組測序和比較基因組學(xué)方法,系統(tǒng)鑒定了船斑菱形藻中參與DA生物合成的候選基因。本研究在船斑菱形藻株系中檢測到DA合成基因(dabA、dabB、dabC和dabD)的同源基因,這些基因最初發(fā)現(xiàn)于偽菱形藻屬。但與偽菱形藻中串聯(lián)排列的基因簇不同,船斑菱形藻的dab基因并不形成串聯(lián)基因簇,而是分散于不同基因組區(qū)域。此外,我們在該物種的多個株系中發(fā)現(xiàn)同時存在兩個dabC基因拷貝,表明dabC基因在演化過程中實現(xiàn)了復(fù)制,暗示其在DA及其異構(gòu)體合成中可能具有特殊功能。dab基因的系統(tǒng)發(fā)育分析表明,dabA和dabC的水平基因轉(zhuǎn)移與真核生物CYP450基因的新功能化共同促成了藻類譜系中DA合成能力的演化。船斑菱形藻中dab基因的鑒定為深入研究該底棲硅藻DA生物合成的起源、進化及轉(zhuǎn)錄調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

船斑菱形藻(N. navis-varingica)株系的采樣站位、dab基因的鑒定及其組織結(jié)構(gòu)
該論文第一作者是中國科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室博士后崔宗梅,陳楠生研究員和馬來亞大學(xué)的廖翠萍教授是共同通訊作者。中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生王繪、馬來亞大學(xué)林保澄教授、廈門大學(xué)馬來西亞分校中國—東盟海洋學(xué)院Suh Nih Tan博士和日本東北大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究生院Yuichi Kotaki教授參加了該項研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、馬來西亞高等教育部卓越中心基金,以及中國科學(xué)院國際人才計劃的共同資助。
相關(guān)論文:
Zongmei Cui, Hui Wang, Po Teen Lim, Suh Nih Tan, Yuichi Kotaki, Chui Pin Leaw*, Nansheng Chen*. Genomic and phylogenetic analyses of the domoic acid biosynthesis genes in the benthic diatom Nitzschia navis-varingica (Bacillariophyceae). Harmful Algae, 2025,148:102905.
https://doi.org/10.1016/j.hal.2025.102905
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