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厦门大学林森杰等解读甲藻基因表达和珊瑚共生的分子机制

日期 2015-11-26   来源:厦门大学   作者:  【 】   【打印】   【关闭

  2015年11月6日,厦门大学林森杰教授等的研究成果“The Symbiodinium kawagutiigenome illuminates dinoflagellate gene expression and coral symbiosis(通过虫黄藻基因组解读甲藻基因表达和珊瑚共生的分子机制)” 在Science上发表。该成果以虫黄藻作为模式生物,通过基因组测序,在国际上首次系统完整地分析了甲藻基因组的结构特性,描绘了珊瑚虫和虫黄藻共生过程中相互作用的分子机制,为今后甲藻基因组学和珊瑚-虫黄藻共生生态系统的深入研究奠定了坚实的分子生物学基础。全文链接:http://www.sciencemag.org/content/350/6261/691.full该项研究得到了国家自然科学基金重点项目(41330959)和面上项目(41176091)等的支持。

  甲藻是海洋生态系统中最重要的初级生产者之一。其中虫黄藻(Symbiodinium)是珊瑚礁中必不可少的共生藻(图1)。许多甲藻在近海形成赤潮并产生毒素,对沿海环境、社会经济和人类健康造成了干扰和影响。其生态习性多样,大约有50%的甲藻是光合自养型,其它是异养型。其中许多表观上是光合自养型而实际上是混合营养型,还有些家族是专营寄生。在系统发育上,甲藻与贝类寄生虫帕金氏虫(perkinsids),疟疾致病寄生虫等的顶覆类(Apicomplexa) 和纤毛虫为最近亲属。甲藻具备丰富的形态多样性,从拥有坚实甲壳的类群,到甲壳不发达的类群,再到无甲壳的裸甲藻类群。此外,甲藻在细胞生物学、进化和基因组学上都拥有“不寻常”的特性。然而,研究界至今对调控这些不寻常特征及对不同环境的强适应能力背后的分子遗传机制所知甚少。

  珊瑚礁一直是热带海洋及亚热带海洋中最重要的生态系统。大约25%的海洋物种,包括鱼类、两栖类、软体动物、甲壳动物、鸟类和哺乳动物等栖息于珊瑚礁生态系统,与周围贫营养的热带水体形成鲜明对比。珊瑚礁丰富的生态系统全部依赖于造礁珊瑚虫细胞内共生甲藻经光合固碳作用贡献的初级生产力。在互惠互利的珊瑚-甲藻共生生态系统中,营养元素在共生体系内循环,共生藻产生的初级生产力成为珊瑚生长及成礁的基础,因此珊瑚-虫黄藻共生体系不仅是形成珊瑚礁这一地球上虽然营养盐贫乏却生物多样性最高的海洋生态系统的基础,也是全球碳循环的重要组成部分。

  全球变暖与海洋酸化对珊瑚礁的生态系统产生了严重威胁,导致珊瑚失去共生藻或光合色素而变白, 最终因失去营养供应而导致珊瑚礁生态系统崩溃,这种现象被称为“珊瑚白化”。初步估算,与20世纪50年代相比,我国珊瑚礁面积减少约80%,处于健康和非健康状态的各占50%(国家海洋信息中心 2012)。如果珊瑚礁大量减少乃至完全灭绝,将引发食物链的一系列连锁反应,从而改变海洋的生态结构。因此,研究珊瑚-虫黄藻的共生关系如何建立,以及这种关系在环境胁迫下如何失衡和可能的修复是国际上很久以来亟需解决的科学问题,其研究工作对保护珊瑚礁系统的多样性及生态平衡将起到至关重要的作用。

图1:与珊瑚共生的虫黄藻

  对甲藻分子遗传机制了解的贫乏与其复杂性有关。比如甲藻叶绿体源自一个极其复杂的内共生进化史;虽仅是单细胞生物,它却拥有巨大且多样的基因组(11-2450亿个碱基对),相当于人类单倍体基因组的1-80倍。虽然过去10多年基因组测序及研究日新月异,推动了生物学革命性的发展,对如此庞大的甲藻基因组仍然束手无策,给甲藻生物学进展带来很大障碍。林森杰教授等的研究成果标志着技术的进步正使得这样的研究成为可能,并为未来更深入的研究提供了良好基础。

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