基因组分析揭示了海草是如何征服海洋的

基因组分析揭示了海草是如何征服海洋的。资料：自然植物（2024年）。DOI: 10.1038/s41477-023-01608-5

（化石网cnfossil.com）据德国亥姆霍兹研究中心协会（迈克·尼古拉）：海草为全球最具生物多样性但又最脆弱的沿海海洋生态系统之一提供了基础。它们从大约1亿年前的淡水祖先演化出三个独立的谱系，是唯一完全沉入水中的海洋开花植物。

迁移到这样一个完全不同的环境是一个罕见的进化事件，绝对不容易。海草是怎么做到的？新的参考质量基因组提供了与其保护和生物技术应用相关的重要线索。

由比利时根特大学Yves Van de Peer教授、荷兰格罗宁根大学Jeanine Olsen教授、德国基尔GEOMAR Helmholtz海洋研究中心Thorsten Reusch教授、意大利那不勒斯statzione Zoologica Anton Dohrn Gabriele Procaccini博士和美国加州伯克利联合基因组研究所协调的一个由38名研究人员组成的国际小组对三种最重要的海草物种进行了基因组测序和分析

研究人员首先检查了基因组结构，然后比较了海草及其相关淡水亲戚之间与结构和生理适应相关的基因家族和途径。他们的发现发表在《自然植物》杂志上，题为“海草基因组揭示古代多倍体和对海洋环境的适应。”

基于海草的生态系统提供多种功能和服务——例如保护海岸海景免受侵蚀，作为相关动物和藻类的生物多样性热点，以及由于其地下生物量的碳储存能力而作为基于自然的气候缓解解决方案。保护和恢复都是深入研究的领域，因为由于气候变暖和其他人类影响，海草和珊瑚礁正在消失。

俗话说:“人多力量大。”首先，研究联盟对基因组本身的结构进行了深入的进化研究，然后对它们的2万多个基因和进化成特定海洋适应能力的相关途径进行了比较分析。

接下来，23个合作研究小组各自专注于不同的互补结构或功能基因组，包括它们的生理功能。一个关键问题是基因组适应是平行发生的，还是独立发生的，甚至可能涉及不同的基因组。

奥尔森教授指出，“海草经历了一系列极其罕见的适应过程。在开花植物的进化史中，重新适应淡水环境已经发生了200多次——涉及数百个谱系和数千个物种——而海草从它们的淡水祖先进化而来只有三次——涉及84个物种。

“要做到这一点，需要特殊的生态耐受性，例如高盐度、低光照、广泛的温度耐受性、水下光合作用的碳捕获、不同的病原体防御、结构灵活性和水下授粉。”

一个主要结果是海草能够通过基因组复制启动激进的适应，这通常与严重的环境压力有关。

“对三个独立的海草谱系（包括淡水姐妹谱系）的比较揭示了大约8600万年前共有的古代全基因组三倍体。这非常令人兴奋，因为当时海洋的大部分地区都没有氧气，这也是一个涉及三个血统的联合事件，”教授范德皮尔博士说。

此外，研究人员发现，一些基因家族的保留和扩增仍然可以通过保留的同线区块追溯到这些早期复制事件，例如类黄酮提供对紫外线辐射和真菌的保护，同时刺激固氮细菌的补充；用于应对低氧沉积物的扩展半胱氨酸氧化酶和与昼夜节律钟相关的基因。

结果还表明，“跳跃基因”——转座因子——在创造新的遗传变异以供选择时发挥了主要作用。这尤其适用于龟鳖和海洋平甲藻的大型基因组。

该团队还发现了几个适应是趋同的结果。这主要适用于在水下、高盐度的海洋环境中变得多余或有害的性状。气孔基因的缺失——叶片表面的小孔提供了与大气的气体交换——挥发物基因的缺失以及抵御病原体和耐受海洋热浪（尤其是热休克因子）的信号传递基因的缺失是“要么使用它，要么失去它”的令人信服的例子。

Procaccini博士解释说:“很明显，支持性途径的微调起了主导作用，而不是基因承担了主要的新功能。耐盐性是一个很好的例子，在这个例子中，调节钠、氯和钾的多种过程效率更高。进化的变化也为不同的物种提供了抵御不同环境的能力。”

Reusch教授总结道，“大多数生态上重要的功能都是复杂的性状，涉及许多基因通过灵活途径的相互作用。有了现在为关键海草开发的基因组工具，我们可以开始实验性地测试和操纵它们。这对于在涉及这里讨论的许多条件的气候变化情景下的恢复尤为重要。”

新的基因组资源将加速实验和功能研究，这些研究与海草生态系统的转型管理和恢复特别相关。他们是研究界的强大资源。