仙人掌藻基因組藏着珊瑚礁與氣候的秘密

包括海洋科學系的林森傑教授在內的一組研究人員，首次對仙人掌藻（Halimeda opuntia）的基因組進行了測序

林說，這種呈仙人掌形狀的藻類在很多方面都是獨一無二的。它們以具有多個細胞核的單細胞形式生長，與其他單細胞生物相比相對巨大，長度可達一英尺。這種藻類生活在熱帶海洋生態系統中，在那裡該物種對珊瑚礁的形成發揮着重要作用，但作用方式與珊瑚不同。

林的實驗室研究諸如甲藻、硅藻等海洋生物的基因組學，而仙人掌藻是他們測序的第一種綠藻。林和他的合著者有興趣研究該物種的基因組，試圖瞭解它如何以及爲何進化出這些獨特的特徵。

“這是一次高質量的測序和組裝，我們能夠重建染色體的結構，並且找出它們在基因組中具有什麼樣的功能，”林說。“仙人掌藻是獨特的，因爲通常當你想到一個生物體時，它要麼是單細胞的，要麼是多細胞的，但在這兩種情況下，它們都是單核的，這意味着一個細胞只有一個細胞核。”

細胞的細胞核通常在稱爲有絲分裂的過程中分裂，在這個過程中，遺傳物質被複制並均勻分裂，然後一個單細胞變成兩個，接着兩個細胞變成四個，依此類推。這個過程受到嚴格控制，並利用許多特殊的蛋白質來確保一切順利進行，而且細胞核在細胞分裂完成之前是不會啓動分裂過程的。

研究人員發現，在 H. opuntia 中，其基因組缺少一種重要蛋白質的基因，這種蛋白質有助於在細胞分裂前確定細胞內物質的位置。這些結果爲一些令人困惑的問題提供了見解，比如 H. opuntia 是如何長成如此相對巨大且包含衆多細胞核的細胞的。

“我們發現，在 H. opuntia 的基因組中，它們擁有所有的肌球蛋白，除了肌球蛋白 VIII，”林說。“我們檢查了其他生物的基因組，發現其他單細胞多核物種也缺少這種蛋白質，這表明這種基因的缺失至少是促成生物體特殊形態形成的原因之一，如果不是唯一原因的話。”

這是一個令人興奮的發現，使研究人員離理解 H. opuntia 的一些獨特性質又近了一步。他們接下來關注的難題是其中一些遺傳特性的進化時間。

“當我們更仔細地觀察時，我們發現，在進化過程中，Halimeda 的基因組發生了複製，似乎已經分離成四個亞基因組。當我們查看這種進化的時間線時，我們發現所有的基因組複製事件似乎都發生在海平面和氣候發生重大變化的時候。”

林解釋說，這與之前的研究結果一致，之前的研究表明，基因組有時會複製，這是生物體適應壓力狀況的一種途徑。

“有可能是海扇藻複製了它們的基因組，以增強應對氣候變化壓力的能力。”

研究人員關注的這種奇特藻類的下一個方面是從環境中將鈣處理成碳酸鈣的能力，但與雙殼類動物或珊瑚等生物完成這項任務的方式完全不同。

“在大多數情況下，鈣化發生在生物的細胞內，但這些傢伙不是這樣做的。它們在細胞外鈣化，在那裡它們形成一個類似被稱爲室間空間的小口袋的結構，鈣化就在那裡發生。”

林解釋說，當考慮到當今的海洋時，口袋展現出一種迷人且極爲有用的適應特性，因爲隨着大氣中二氧化碳（CO2）的增加，海洋吸收了更多的碳，這致使海洋的酸性增強。這種 pH 值的變化，連同海水變暖，爲鈣化創造了不利條件，威脅着世界各地的珊瑚礁。

“當我們思考它們爲什麼形成口袋時，這意味着它們能夠藉助主動光合作用以及其他未知機制營造一個能使 pH 值保持相對穩定的環境，”林說。“它們從環境中攝取鈣，並將其輸送至細胞外，形成方解石結構，這既能保護又必然會強化細胞表面，還能支撐細胞體特有的長結構。”

林說，這樣做存在的問題是，現在細胞體有點細長和脆弱，所以水中的任何湍流都會導致部分細胞斷裂。這就帶來了下一個難題。一般來說，當單個細胞破裂時，它就會死亡，但對於 H. opuntia 來說並非如此，因爲斷裂的部分可以再生。

“我們再次對基因組進行查看，以弄清楚 Halimeda 是如何再生的，並探究它們具備何種機制來實現這一過程。我們發現的是與植物傷口癒合過程中所見相似的基因，所以似乎它們有一個分子工具包來進行這種傷口癒合。這種斷裂和再生長似乎也是它們的繁殖方式，因爲一個片段可以再次長成一個完整的細胞體。”

林絲稱，合作之所以仍在繼續，是因爲還有一些問題有待解答，並且鑑於氣候變化的緊迫性，其中很多問題都很及時。

“這或許會對珊瑚保護產生影響，甚至可能對醫學中的癒合或組織再生產生影響，但當下，我們瞭解得非常少，”林說。“我們希望馬上解決的一個問題是，海鏈藻是否跟其他生物一樣保持着相似的細胞大小與基因組大小比例，還有這些亞基因組或者不同的細胞核是否存在任何不同的功能，以及它們是怎樣促進再生過程的。