基因組分析揭示了海草是如何征服海洋的。資料：uux.cn/自然植物（2024年）。組分征服DOI: 10.1038/s41477-023-01608-5
（神秘的析揭地球uux.cn）據(jù)德國亥姆霍茲研究中心協(xié)會（邁克·尼古拉）：海草為全球最具生物多樣性但又最脆弱的沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)之一提供了基礎(chǔ)。它們從大約1億年前的示海淡水祖先演化出三個獨立的譜系，是草何唯一完全沉入水中的海洋開花植物。
遷移到這樣一個完全不同的海洋環(huán)境是一個罕見的進化事件，絕對不容易。基因海草是組分征服怎么做到的？新的參考質(zhì)量基因組提供了與其保護和生物技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的重要線索。
由比利時根特大學(xué)Yves Van de Peer教授、析揭荷蘭格羅寧根大學(xué)Jeanine Olsen教授、示海德國基爾GEOMAR Helmholtz海洋研究中心Thorsten Reusch教授、草何意大利那不勒斯statzione Zoologica Anton Dohrn Gabriele Procaccini博士和美國加州伯克利聯(lián)合基因組研究所協(xié)調(diào)的海洋一個由38名研究人員組成的國際小組對三種最重要的海草物種進行了基因組測序和分析
研究人員首先檢查了基因組結(jié)構(gòu)，然后比較了海草及其相關(guān)淡水親戚之間與結(jié)構(gòu)和生理適應(yīng)相關(guān)的基因基因家族和途徑。他們的組分征服發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然植物》雜志上，題為“海草基因組揭示古代多倍體和對海洋環(huán)境的析揭適應(yīng)。”
基于海草的生態(tài)系統(tǒng)提供多種功能和服務(wù)——例如保護海岸海景免受侵蝕，作為相關(guān)動物和藻類的生物多樣性熱點，以及由于其地下生物量的碳儲存能力而作為基于自然的氣候緩解解決方案。保護和恢復(fù)都是深入研究的領(lǐng)域，因為由于氣候變暖和其他人類影響，海草和珊瑚礁正在消失。
俗話說:“人多力量大。”首先，研究聯(lián)盟對基因組本身的結(jié)構(gòu)進行了深入的進化研究，然后對它們的2萬多個基因和進化成特定海洋適應(yīng)能力的相關(guān)途徑進行了比較分析。
接下來，23個合作研究小組各自專注于不同的互補結(jié)構(gòu)或功能基因組，包括它們的生理功能。一個關(guān)鍵問題是基因組適應(yīng)是平行發(fā)生的，還是獨立發(fā)生的，甚至可能涉及不同的基因組。
奧爾森教授指出，“海草經(jīng)歷了一系列極其罕見的適應(yīng)過程。在開花植物的進化史中，重新適應(yīng)淡水環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了200多次——涉及數(shù)百個譜系和數(shù)千個物種——而海草從它們的淡水祖先進化而來只有三次——涉及84個物種。
“要做到這一點，需要特殊的生態(tài)耐受性，例如高鹽度、低光照、廣泛的溫度耐受性、水下光合作用的碳捕獲、不同的病原體防御、結(jié)構(gòu)靈活性和水下授粉。”
一個主要結(jié)果是海草能夠通過基因組復(fù)制啟動激進的適應(yīng)，這通常與嚴重的環(huán)境壓力有關(guān)。
“對三個獨立的海草譜系（包括淡水姐妹譜系）的比較揭示了大約8600萬年前共有的古代全基因組三倍體。這非常令人興奮，因為當(dāng)時海洋的大部分地區(qū)都沒有氧氣，這也是一個涉及三個血統(tǒng)的聯(lián)合事件，”教授范德皮爾博士說。
此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，一些基因家族的保留和擴增仍然可以通過保留的同線區(qū)塊追溯到這些早期復(fù)制事件，例如類黃酮提供對紫外線輻射和真菌的保護，同時刺激固氮細菌的補充；用于應(yīng)對低氧沉積物的擴展半胱氨酸氧化酶和與晝夜節(jié)律鐘相關(guān)的基因。
結(jié)果還表明，“跳躍基因”——轉(zhuǎn)座因子——在創(chuàng)造新的遺傳變異以供選擇時發(fā)揮了主要作用。這尤其適用于龜鱉和海洋平甲藻的大型基因組。
該團隊還發(fā)現(xiàn)了幾個適應(yīng)是趨同的結(jié)果。這主要適用于在水下、高鹽度的海洋環(huán)境中變得多余或有害的性狀。氣孔基因的缺失——葉片表面的小孔提供了與大氣的氣體交換——揮發(fā)物基因的缺失以及抵御病原體和耐受海洋熱浪（尤其是熱休克因子）的信號傳遞基因的缺失是“要么使用它，要么失去它”的令人信服的例子。
Procaccini博士解釋說:“很明顯，支持性途徑的微調(diào)起了主導(dǎo)作用，而不是基因承擔(dān)了主要的新功能。耐鹽性是一個很好的例子，在這個例子中，調(diào)節(jié)鈉、氯和鉀的多種過程效率更高。進化的變化也為不同的物種提供了抵御不同環(huán)境的能力。”
Reusch教授總結(jié)道，“大多數(shù)生態(tài)上重要的功能都是復(fù)雜的性狀，涉及許多基因通過靈活途徑的相互作用。有了現(xiàn)在為關(guān)鍵海草開發(fā)的基因組工具，我們可以開始實驗性地測試和操縱它們。這對于在涉及這里討論的許多條件的氣候變化情景下的恢復(fù)尤為重要。”
新的基因組資源將加速實驗和功能研究，這些研究與海草生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型管理和恢復(fù)特別相關(guān)。他們是研究界的強大資源。

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