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    TCA循環有機酸的13C同位素豐度分析(IF=12.5)

    中國海洋大學的王冬梅課題組采用新一代高通量測序技術構建了高質量的染色體級條斑紫菜基因組,組裝成三條染色體,通過比較基因組學分析鑒定出條斑紫菜基因組中“基因拷貝數顯著增多”的基因家族。研究成果系統解讀了條斑紫菜的基因組特性,揭示了驅動紫菜異型世代適應生境的進化力量。

    Part 01

    基因組組裝

    該研究采用新一代高通量測序技術構建了高質量的染色體級條斑紫菜基因組,組裝成三條染色體,基因組大小為108Mb,其中重復序列占比48%,蛋白質編碼基因共12855個。通過比較基因組學分析鑒定出條斑紫菜基因組中“基因拷貝數顯著增多”的基因家族。其中與抗氧化有關的基因家族,如SOD、LOX、TRX、TYR等,均呈現葉狀體世代特異性的表達活性,且在失水逆境下這些葉狀體特異基因具有顯著上調的轉錄特征,表明抗氧化基因家族的擴張及共表達特征是葉狀體世代適應極端環境的重要遺傳基礎。

    Part 02

    無機C的吸收

    除了環境脅迫,無機C的獲得途徑也是藻類植物共同選擇的目標。因此,條斑紫菜最顯著的基因擴增案例之一是碳酸酐酶(CA)編碼序列。作者根據各CA蛋白的亞細胞定位,在不同世代以及葉狀體失水逆境下的轉錄表達特征,構建了紫菜二氧化碳濃縮機制模型,揭示紫菜葉狀體在干露失水時利用空氣二氧化碳作為碳源的遺傳機制。同時,絲狀體世代也具有特異性表達的分泌性CA蛋白。

    Part 03

    同位素示蹤實驗及豐度分析

    通過實驗表明,絲狀體產生的胞外Ca能夠將殼層碳酸鈣轉化為碳酸氫根,然后被藻類吸收,以支持光合作用的生長。

    為了證實這一假設,該研究用13C標記的碳酸鈣培養游離絲狀體,并分析了三羧酸(TCA)循環中有機酸中13C的豐度。在標記細胞中檢測到的13C在2.1%到4.9%之間,遠遠高于13C的自然豐度。證實棲居于貝殼中的絲狀孢子體在細胞外CA作用下,將貝殼中的碳酸鈣轉化為碳酸氫根,可作為絲狀孢子體吸收利用的主要碳源之一。

    Part 04

    水平基因轉移在條斑紫菜進化中的作用

    為了闡明水平基因轉移對條斑紫菜基因起源的潛在影響及其不同生活史的進化,該研究對預測的基因庫進行了全面的系統發育分析。這種方法鑒定了51個基因(約占清單的0.04%),52.9%水平基因轉移在兩個世代中的任何一個世代都有特異性轉錄(29.4%在配子體中,23.5%在孢子體中),而全基因組表達的百分比為16.7%,HGT衍生基因中階段特異性轉錄基因表達的豐富表明,這些外源序列為擬南芥屬物種提供了適應功能,來自于細菌的基因水平轉移是條斑紫菜基因家族擴張的進化來源之一。

    總結

    條斑紫菜具有很高的營養價值,做為全球最重要的經濟海洋作物之一,條斑紫菜具有典型的生存特征,其特征是生活在不同生境的異形世代交替。

    條紋紫菜釋放的絲狀體鉆入軟體動物貝殼的內層,生活在鈣質基質中,然而二氧化碳在封閉的空間中是稀缺的,這減少了水交換,可能會限制絲狀體的生長。過去的研究表明,大氣中二氧化碳的增加不會影響絲狀體的光合性能,這表明存在一種替代碳源。中國海洋大學的團隊研究了條斑紫菜的基因組,并分析了基因組和轉錄組數據,通過同位素標記、酶活抑制實驗、生化酶活測定等,證實棲居于貝殼中的絲狀孢子體在細胞外CA作用下,將貝殼中的碳酸鈣轉化為碳酸氫根,可作為絲狀孢子體吸收利用的主要碳源之一。另外,研究還證明來自于細菌的基因水平轉移是條斑紫菜基因家族擴張的進化來源之一。


    參考資料及文獻來源:

    http://news.ouc.edu.cn/2020/0814/c309a102876/page.htm

    https://www.nature.com/articles/s41467-020-17689-1


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