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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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研究揭示海洋巨型單細(xì)胞多核鈣化藻基因組異源多倍化與生物鈣化機(jī)制

2024-09-23 南海海洋研究所

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語(yǔ)音播報(bào)

仙掌藻是一類胞外鈣化綠藻。盡管仙掌藻植株能夠生長(zhǎng)至30厘米，卻由一個(gè)管狀細(xì)胞構(gòu)成。它是真正的“巨型單細(xì)胞”。叉節(jié)藻則是一類次級(jí)細(xì)胞壁內(nèi)鈣化的紅藻，主要生活在淺海的島礁區(qū)域。已有研究表明，藻類的鈣化性狀影響其對(duì)島礁環(huán)境的適應(yīng)能力，如機(jī)械穩(wěn)定性增強(qiáng)、抵御捕食者和光合效率升高等，從而維持較高的生長(zhǎng)速率和生物量。盡管學(xué)術(shù)界關(guān)注海洋鈣化藻的發(fā)生與演化規(guī)律，但藻類鈣化復(fù)雜性狀的進(jìn)化與遺傳學(xué)基礎(chǔ)及其分子調(diào)控機(jī)制尚不清楚。

針對(duì)鈣化藻具有細(xì)菌污染程度高的特征，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全基因組細(xì)菌序列去除方案，獲得了高質(zhì)量的仙掌藻和叉節(jié)藻基因組?；诖?，該團(tuán)隊(duì)揭示了仙掌藻“巨型單細(xì)胞”通過調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)細(xì)胞核數(shù)量、倍性以及擴(kuò)張細(xì)胞骨架動(dòng)力調(diào)控和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因家族來(lái)維持巨大體型。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，Myo8基因丟失可能導(dǎo)致胞質(zhì)不能正常分裂，進(jìn)而造成單細(xì)胞多核的性狀。

該研究發(fā)現(xiàn)了仙掌藻是AAAB型的異源多倍體，并分離了仙掌藻的4套亞基因組?；蚪M結(jié)構(gòu)進(jìn)化分析揭示了4套亞基因組的不對(duì)稱進(jìn)化特征。其中，S1亞基因組占據(jù)主導(dǎo)地位，編碼了更多參與離子運(yùn)輸、有機(jī)酸生物合成、堿基合成等生物學(xué)過程的高表達(dá)直系同源基因，并同步富集了編碼Ca²⁺運(yùn)輸?shù)幕?，這表明仙掌藻基因組多倍化與其鈣化性狀的耦合關(guān)系。

進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，仙掌藻多倍化和亞基因組分化與海平面降低和大氣CO₂升高等事件吻合。海平面降低導(dǎo)致藻體暴露在高光強(qiáng)與紫外線下，而海水酸化則促進(jìn)藻體鈣質(zhì)溶解；仙掌藻通過全基因組復(fù)制增強(qiáng)基因多樣性以應(yīng)對(duì)脅迫環(huán)境，在生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)并快速實(shí)現(xiàn)種群擴(kuò)張。這一推論在珊瑚礁鉆井的生物地層演化研究中得到印證。研究顯示，礁體大型鈣化藻暴發(fā)約在690萬(wàn)年至600萬(wàn)年前和360萬(wàn)年至150萬(wàn)年前，均發(fā)生在仙掌藻亞基因組分化和多倍化之后。

針對(duì)仙掌藻和脆叉節(jié)藻的鈣化模式的差異，該研究揭示了仙掌藻胞外鈣化和脆叉節(jié)藻次級(jí)細(xì)胞壁鈣化的遺傳調(diào)控特征。研究發(fā)現(xiàn)，兩種鈣化藻在實(shí)現(xiàn)鈣化區(qū)域的鈣化離子飽和與分泌有機(jī)基底促進(jìn)晶體成核發(fā)育方面存在差異。仙掌藻中轉(zhuǎn)運(yùn)鈣化離子的Pmca、V-ATPase和Slc4特異性擴(kuò)張，而脆叉節(jié)藻擴(kuò)張了催化碳酸鹽體系離子轉(zhuǎn)化的胞外CA。在有機(jī)基底方面，仙掌藻擴(kuò)張Col1a和Fn3，而脆叉節(jié)藻擴(kuò)張細(xì)胞壁內(nèi)多聚糖和糖蛋白合成基因家族。多組學(xué)聯(lián)合解析表明，仙掌藻的鈣化反應(yīng)與光合作用耦合，屬于“生物學(xué)過程誘導(dǎo)”的鈣化模式。

9月20日，相關(guān)研究成果以Genome of Halimeda opuntia reveals differentiation of subgenomes and molecular bases of multinucleation and calcification in algae為題，在線發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。

論文鏈接

兩種鈣化藻類系統(tǒng)演化與仙掌藻核分裂圖示

近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合廈門大學(xué)、美國(guó)康涅狄格大學(xué)等的科研人員，獲得了海洋典型鈣化藻——仙掌藻和叉節(jié)藻的全基因組，揭示了仙掌藻基因組異源多倍化與不對(duì)稱進(jìn)化機(jī)制，闡明了鈣化藻生物鈣化與單細(xì)胞多核發(fā)生的遺傳與分子調(diào)控機(jī)理。仙掌藻是一類胞外鈣化綠藻。盡管仙掌藻植株能夠生長(zhǎng)至30厘米，卻由一個(gè)管狀細(xì)胞構(gòu)成。它是真正的“巨型單細(xì)胞”。叉節(jié)藻則是一類次級(jí)細(xì)胞壁內(nèi)鈣化的紅藻，主要生活在淺海的島礁區(qū)域。已有研究表明，藻類的鈣化性狀影響其對(duì)島礁環(huán)境的適應(yīng)能力，如機(jī)械穩(wěn)定性增強(qiáng)、抵御捕食者和光合效率升高等，從而維持較高的生長(zhǎng)速率和生物量。盡管學(xué)術(shù)界關(guān)注海洋鈣化藻的發(fā)生與演化規(guī)律，但藻類鈣化復(fù)雜性狀的進(jìn)化與遺傳學(xué)基礎(chǔ)及其分子調(diào)控機(jī)制尚不清楚。針對(duì)鈣化藻具有細(xì)菌污染程度高的特征，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全基因組細(xì)菌序列去除方案，獲得了高質(zhì)量的仙掌藻和叉節(jié)藻基因組。基于此，該團(tuán)隊(duì)揭示了仙掌藻“巨型單細(xì)胞”通過調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)細(xì)胞核數(shù)量、倍性以及擴(kuò)張細(xì)胞骨架動(dòng)力調(diào)控和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因家族來(lái)維持巨大體型。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，Myo8基因丟失可能導(dǎo)致胞質(zhì)不能正常分裂，進(jìn)而造成單細(xì)胞多核的性狀。該研究發(fā)現(xiàn)了仙掌藻是AAAB型的異源多倍體，并分離了仙掌藻的4套亞基因組?；蚪M結(jié)構(gòu)進(jìn)化分析揭示了4套亞基因組的不對(duì)稱進(jìn)化特征。其中，S1亞基因組占據(jù)主導(dǎo)地位，編碼了更多參與離子運(yùn)輸、有機(jī)酸生物合成、堿基合成等生物學(xué)過程的高表達(dá)直系同源基因，并同步富集了編碼Ca2+運(yùn)輸?shù)幕?，這表明仙掌藻基因組多倍化與其鈣化性狀的耦合關(guān)系。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，仙掌藻多倍化和亞基因組分化與海平面降低和大氣CO2升高等事件吻合。海平面降低導(dǎo)致藻體暴露在高光強(qiáng)與紫外線下，而海水酸化則促進(jìn)藻體鈣質(zhì)溶解；仙掌藻通過全基因組復(fù)制增強(qiáng)基因多樣性以應(yīng)對(duì)脅迫環(huán)境，在生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)并快速實(shí)現(xiàn)種群擴(kuò)張。這一推論在珊瑚礁鉆井的生物地層演化研究中得到印證。研究顯示，礁體大型鈣化藻暴發(fā)約在690萬(wàn)年至600萬(wàn)年前和360萬(wàn)年至150萬(wàn)年前，均發(fā)生在仙掌藻亞基因組分化和多倍化之后。針對(duì)仙掌藻和脆叉節(jié)藻的鈣化模式的差異，該研究揭示了仙掌藻胞外鈣化和脆叉節(jié)藻次級(jí)細(xì)胞壁鈣化的遺傳調(diào)控特征。研究發(fā)現(xiàn)，兩種鈣化藻在實(shí)現(xiàn)鈣化區(qū)域的鈣化離子飽和與分泌有機(jī)基底促進(jìn)晶體成核發(fā)育方面存在差異。仙掌藻中轉(zhuǎn)運(yùn)鈣化離子的Pmca、V-ATPase和Slc4特異性擴(kuò)張，而脆叉節(jié)藻擴(kuò)張了催化碳酸鹽體系離子轉(zhuǎn)化的胞外CA。在有機(jī)基底方面，仙掌藻擴(kuò)張Col1a和Fn3，而脆叉節(jié)藻擴(kuò)張細(xì)胞壁內(nèi)多聚糖和糖蛋白合成基因家族。多組學(xué)聯(lián)合解析表明，仙掌藻的鈣化反應(yīng)與光合作用耦合，屬于“生物學(xué)過程誘導(dǎo)”的鈣化模式。9月20日，相關(guān)研究成果以Genome of Halimeda opuntia reveals differentiation of subgenomes and molecular bases of multinucleation and calcification in algae為題，在線發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。論文鏈接兩種鈣化藻類系統(tǒng)演化與仙掌藻核分裂圖示

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