在90℃高溫中“裸奔”？華大解析平藻綱的超級(jí)生命力
2022/05/19讀特客戶(hù)端·深圳新聞網(wǎng)2022年5月17日訊（記者 李旖露）超級(jí)英雄系列電影中，總是少不了能“玩火”的角色，他們通常無(wú)需依靠任何裝備，便能以肉身操控火焰，甚至能在高溫烈焰中實(shí)現(xiàn)自愈。擁有超能力的英雄或許只活在熒幕上，但生物界卻真實(shí)存在這樣的“超級(jí)物種”，它們連細(xì)胞壁都沒(méi)有，僅靠一個(gè)細(xì)胞作為個(gè)體進(jìn)行生命活動(dòng)，其孢子體卻能在高于90℃的水中存活一個(gè)小時(shí)以上。
近日，植物學(xué)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威刊物《新植物學(xué)家》（New Phytologist）在線(xiàn)發(fā)表深圳華大生命科學(xué)研究院、德國(guó)馬普合作研究成果。該研究發(fā)布了平藻綱首個(gè)染色體水平綠藻基因組，揭示了作為無(wú)細(xì)胞壁“裸藻”的小型平藻適應(yīng)外界環(huán)境壓力的分子機(jī)制，同時(shí)也為研究綠藻門(mén)核心群的早期進(jìn)化提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)支持。
藻類(lèi)作為相對(duì)低等古老的植物祖先，雖然往往以食物的形式被大眾認(rèn)知，但它也是我們了解植物演化的核心部分。據(jù)介紹，植物通常由千萬(wàn)個(gè)具有細(xì)胞壁保護(hù)層的細(xì)胞組合而成，這在很大程度上決定了它們的廣泛適應(yīng)性。相較之下，單細(xì)胞藻類(lèi)為何能夠具有如此強(qiáng)大的生命力？對(duì)于這一奇特的遺傳機(jī)制，科學(xué)家們正以基因組學(xué)作為解析其神秘面紗的核心工具。
一直以來(lái)，科學(xué)家把綠色植物分為鏈形植物和綠藻門(mén)兩大分支，2020年華大聯(lián)合國(guó)際科學(xué)家發(fā)現(xiàn)綠色植物的第三個(gè)分支“華藻門(mén)”，改寫(xiě)了植物演化的家族譜系。
裸藻是一類(lèi)單細(xì)胞原生生物，在地球上已生存超5億年時(shí)間，其眼蟲(chóng)藻綱于17世紀(jì)被列文虎克最先發(fā)現(xiàn)。因其細(xì)胞外面沒(méi)有細(xì)胞壁，故被植物學(xué)家稱(chēng)為“裸藻”。
此次發(fā)表的研究中以小型平藻（Pedinomonas minor）為材料，該藻屬綠藻門(mén)中的平藻綱，棲息在淡水環(huán)境中，沒(méi)有細(xì)胞壁，只被質(zhì)膜包圍，是一種極具代表性的單細(xì)胞“裸藻”生物。
特別的是，小型平藻可以在經(jīng)常干涸的棲息地生存，并從容應(yīng)對(duì)高溫、強(qiáng)光、干燥等外界環(huán)境的波動(dòng)。據(jù)此前研究發(fā)現(xiàn)，小型平藻的孢囊可以在90℃的溫度下存活1小時(shí)而不喪失活力，其營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞在35－40℃的溫度下存活15分鐘而不喪失活力。
研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育學(xué)與比較基因組學(xué)分析，明確了小型平藻及其所在平藻綱位于綠藻核心群分支的基部位置。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)小型平藻自身基因組的一段特殊區(qū)域推測(cè)，由于被一種古老的核質(zhì)大DNA病毒（NCLDVs）感染，小型平藻基因組中整合了病毒序列及其攜帶的外源基因序列，其在小型平藻基因組的進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。
探究小型平藻如何適應(yīng)外界環(huán)境壓力是本研究最關(guān)注的問(wèn)題之一。通過(guò)與其它代表性綠藻物種的基因家族比較分析，研究發(fā)現(xiàn)小型平藻基因組中有4個(gè)與壓力相關(guān)基因家族發(fā)生明顯擴(kuò)張，并鑒定了小型平藻編碼的嗜熱蛋白酶和轉(zhuǎn)錄因子HSF分別是通過(guò)細(xì)菌和真菌水平基因轉(zhuǎn)移而獲得。
為進(jìn)一步探究小型平藻應(yīng)對(duì)非生物脅迫的響應(yīng)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該物種分別施加干燥、高溫和強(qiáng)光三種壓力，并進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析。研究結(jié)果表明，不同壓力處理下小型平藻在不同通路的部分基因均發(fā)生了表達(dá)上的明顯變化。
本次研究結(jié)合比較基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組的分析，揭示了“裸藻”小型平藻應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力的分子機(jī)制——核質(zhì)大DNA病毒感染這一古老的整合事件使小型平藻獲得一些重要的外源性基因資源，包括一些重要的抗性基因，它們?cè)谵D(zhuǎn)座子的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行了擴(kuò)增，進(jìn)而幫助小型平藻可以適應(yīng)外界波動(dòng)的環(huán)境壓力和應(yīng)對(duì)如強(qiáng)光、干燥和高溫等一系列非生物脅迫。
中國(guó)科學(xué)院大學(xué)華大基因?qū)W院在讀博士徐妍為該論文第一作者。深圳華大生命科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉歡、王思博，德國(guó)馬普所Micheal Melkonian為論文共同通訊作者。該項(xiàng)目得到廣東省高通量基因組測(cè)序與合成編輯應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃項(xiàng)目支持。