熱帶海洋學院在經濟海藻基因組特性及環境适應機制研究領域取得重要進展

2020年8月12日，國際學術期刊Nature雜志子刊Nature Communications（《自然-通訊》）在線發表題為“Pyropia yezoensis genome reveals diverse mechanisms of carbon acquisition in the intertidal environment”（條斑紫菜基因組揭示潮間帶環境下碳獲取機制多樣性）最新研究成果。我校熱帶海洋生物資源利用與保護教育部重點實驗室主任茅雲翔教授和美國羅格斯大學Debashish Bhattacharya教授為共同通訊作者，中國海洋大學海洋生命學院王冬梅副教授、博士生于欣孜、徐奎鵬、畢桂琪、曹敏等為共同第一作者。研究成果系統解讀了紅藻紅毛菜目代表性物種條斑紫菜的基因組特性，揭示了驅動紫菜異形世代适應生境的進化力量。

紫菜是重要的經濟海藻，也是研究環境脅迫耐受機制的模式物種。紫菜等紅毛菜目藻類具有典型的異形世代生活史，其葉狀配子體世代定生于高潮帶，曆經潮起潮落過程中滲透壓、溫度、輻射等環境因子急劇變化的脅迫，而絲狀孢子體世代則栖居于碳酸鈣質的貝殼中。紅毛菜目物種如何進化出形态不同且生境不同的兩個世代？其葉狀體世代為何具有強大的抗逆能力？絲狀體世代在貝殼中如何獲取足夠無機碳？這些問題一直是藻類學研究中備受關注的科學問題。

研究團隊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，其中重複序列占比48%，蛋白質編碼基因共12,855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适應極端環境的重要遺傳基礎。碳酸酐酶（CA）是藻類二氧化碳濃縮機制的關鍵基因，條斑紫菜基因組中CA基因家族顯著擴張。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，揭示紫菜葉狀體在幹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。作者通過同位素标記、酶活抑制實驗、生化酶活測定等，證實栖居于貝殼中的絲狀孢子體在細胞外CA作用下，将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。

茅雲翔教授長期緻力于海藻遺傳學研究，在藻類重要經濟性狀定位技術，抗逆、抗病分子遺傳機制等研究領域取得多項重要研究成果。2019年在生物進化領域權威期刊Molecular Ecology Resources上發布重要經濟海藻壇紫菜基因組，是國際上首個染色體級别的大型海藻基因組。本次發表條斑紫菜基因組研究成果是團隊在這一領域取得的又一重要進展，對于深入了解紅藻重要經濟性狀的遺傳基礎，指導紫菜優良品種選育具有重要意義。

該研究得到國家重點研發計劃“藍色糧倉科技創新”重點專項、山東省重大科技創新專項“深藍漁業”、農業部現代農業科研傑出人才培養計劃等研究經費的資助。美國羅格斯大學Debashish Bhattacharya教授團隊、中科院青島生物能源與過程研究所付春祥研究員團隊、黃海水産研究所、中國海洋大學海洋環境與生态教育部重點實驗室等共同參與了項目研究。