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水生所揭示绿藻适应南极环境的早期演化机制

2019-12-09 水生生物研究所
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  生物在寒冷的南极大陆如何生存演化是一个十分有趣的生物学问题。目前,对于嗜冷生物生命活动的研究主要是基于对嗜冷酶的理解,而嗜冷酶是经过长期的突变积累和适应性演化形成的。那么,通过大气层流等途径到达永久性寒冷环境的微生物,在细胞内各种参与代谢的酶完成冷适应之前怎样在低温下保持一定的代谢活性和生长能力呢?这个问题对于理解生物如何适应南极等常年寒冷环境至关重要,然而此前一直没有答案。中国科学院水生生物研究所等单位科研人员以从南极分离到小球藻Chlorella vulgaris NJ-7来自温带的小球藻C. vulgaris UTEX259为研究材料,揭示了绿藻在南极环境下的早期适应机制。

  水生所徐旭东研究团队从南极分离到小球藻NJ-7,其18S rRNA序列与来自温带的小球藻UTEX259完全相同,核和细胞器基因组结构也支持为同一种。两藻株在20oC的生长相似,但只有NJ-7能够在4oC生长,并且NJ-7UTEX259的抗冻力(-20oC)大幅提高。化石标定分析绿藻演化时间显示,NJ-7UTEX259的分离时间在2.6百万年左右,远晚于南极大陆与南美分离时间。通过对基因组、转录组和定量蛋白组的系统深入分析,发现南极小球藻的适应性进化主要是基于LEA蛋白(图1)和各类酶水平(见图2举例)的提高,以及某些酶的正向选择LEA蛋白的积累使其在冰冻条件下保持存活,而系统地提升关键酶的含量则直接导致酶活性增加(比活性基本不变),使初到南极的小球藻在接近0 oC条件下保持代谢活性并获得生长能力。意外的是,这些在南极藻株含量提高的酶和蛋白大多数并不是受低温诱导表达的。

  该研究首次揭示了微藻在南极环境下的早期适应机制,初步解答了在酶完成寒冷适应之前细胞如何保持较高酶活力这一问题,对于微生物、低等动植物如何适应南极环境有重要参考价值。此外,这一研究提供了非常罕见的分离时间以百万年计的种内演化例证,也是嗜温微生物转移至南极并适应寒冷环境的第一个实例研究。

  该项持续10余年的研究先后得到中科院知识创新工程重要方向项目、湖北省创新群体项目以及淡水生态和生物技术国家重点实验室的支持,研究结果近期在线发表于进化生物学领域的国际期刊Molecular Biology and Evolution。水生所博士王雅丽为该论文第一作者,研究员徐旭东为通讯联系人。合作单位和人员有华中科技大学教授郭安源、中科院青岛生物能源与过程研究所研究员徐健等人。

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图1. LEA蛋白基因在小球藻染色体上的分布(a)和系统演化关系(b)(b)图中还标注了LEA蛋白预测的胞内分布

图2. 小球藻南极株和温带株中参与碳代谢的部分酶的差异表达。橘黄色标注的酶表示在南极株中的水平比在温带株中显著增加

打印 责任编辑:叶瑞优

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