海草如何“征服”海洋？

編者按：海草如何在億萬年前從淡水祖先中獨立進化出來，并成功在海洋中生存的？“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編讀到一篇2024年1月26日由基爾亥姆霍茲海洋研究中心發(fā)布的最新研究，深入研究了海草在演化歷程中如何從淡水祖先中獨立演化，成為全球最生物多樣性、卻也最脆弱的沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)。通過對地中海特有的大洋海神草（Posidonia oceanica）、廣泛分布的小絲粉草（Cymodocea nodosa）和加勒比海特有的龜草（Thalassia testudinum）三種重要海草物種進行基因組測序和分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)了海草能夠成功適應海洋環(huán)境的關(guān)鍵線索。這一研究成果在科學期刊《自然植物》上發(fā)表，題為“海草基因組揭示了古老的多倍化和對海洋環(huán)境的適應”。通過對比三個獨立的海草譜系，研究人員發(fā)現(xiàn)了海草在約8600萬年前經(jīng)歷了整個基因組三倍化的事件，這與大部分海洋當時是無氧的情況相關(guān)。此外，研究還揭示了一些適應是由于環(huán)境變化導致的基因喪失，強調(diào)了在海洋環(huán)境中“利用或失去”的重要性。這些新的基因組資源為加速海草生態(tài)系統(tǒng)的管理和恢復相關(guān)的實驗和功能研究提供了強大支持。為助力全球環(huán)境治理、并供我國學者了解最新研究動態(tài)信息，編譯分享信息如下，供感興趣的讀者們參閱。

對海草物種的基因組研究

海草約1億年前從其淡水祖先中獨立演化出三個譜系，并成為唯一完全浸沒在水下的海洋顯花植物。這種開花植物成功遷移到如此截然不同的環(huán)境，實在是罕見的進化事件，而新的基因組提供了關(guān)鍵線索，與其保護和生物技術(shù)應用密切相關(guān)。

該研究團隊由比利時根特大學的Yves Van de Peer教授、荷蘭格羅寧根大學的Jeanine Olsen教授、德國基爾海洋研究中心的Thorsten Reusch教授、意大利那不勒斯Anton Dohrn動物站的Gabriele Procaccini博士以及美國加利福尼亞州伯克利的聯(lián)合基因組研究所協(xié)調(diào)，共同對三個重要的海草物種進行了基因組測序和分析。研究首先對基因組結(jié)構(gòu)進行了深入研究，然后比較了與海草及其相關(guān)淡水親屬的結(jié)構(gòu)和生理適應有關(guān)的基因家族和途徑。

海草的作用與研究方式

該研究結(jié)果發(fā)表在《自然植物》科學期刊上，題為“海草基因組揭示了古老的多倍化和對海洋環(huán)境的適應”。

海草生態(tài)系統(tǒng)提供多重功能和服務，例如作為防止侵蝕、維護海岸風景的手段，作為與動植物的生物多樣性熱點，以及由于其地下生物量中的碳儲存能力而作為氣候緩解的自然解決方案。由于氣候變暖和其他人類影響，海草和珊瑚礁一樣正受到嚴重威脅，因此保護和恢復已經(jīng)成為密集研究的領(lǐng)域。

?綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）工作組

研究團隊采取了“眾人之力”的方式，深入研究了基因組結(jié)構(gòu)，然后進行了超過2萬個基因和相關(guān)途徑的比較分析，探討了其進化為特定海洋適應性的基因。23個合作研究小組分別專注于不同的結(jié)構(gòu)或功能基因組，包括其生理功能。一個關(guān)鍵問題是基因組適應是否是并行發(fā)生的，還是獨立發(fā)生的，甚至可能涉及不同的基因組。

Olsen教授指出：“海草經(jīng)歷了一系列極為罕見的適應?；ɑ苤参镅莼瘹v史中，重新適應淡水環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了200多次，涉及數(shù)百個譜系和數(shù)千個物種；而海草只有三次，涉及84個物種。這需要對高鹽度、低光、寬溫差、水下光合作用二氧化碳捕獲、不同病原體防御、結(jié)構(gòu)靈活性和水下傳粉等特殊生態(tài)耐受力?！?/p>

研究的發(fā)現(xiàn)

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，一些基因家族的保留和擴張仍然可以追溯到早期的重復事件，例如用于對抗紫外線輻射和真菌、刺激固氮細菌招募的類黃酮；用于應對低氧沉積物和與晝夜節(jié)律相關(guān)的基因的氧化囊酶擴張。結(jié)果還顯示，“跳躍基因”——可移動元件——在為選擇提供新的遺傳變異方面發(fā)揮了主導作用，尤其是在Thalassia testudinum和Neptune grass的大基因組中。

該團隊還發(fā)現(xiàn)了一些適應是收斂演化的結(jié)果，主要是因為在浸沒、高鹽度的海洋環(huán)境中，一些性狀變得多余或有害。失去氣孔（葉片表面的微小孔，與大氣進行氣體交換）、失去揮發(fā)物和對抗病原體和耐受海洋熱浪的信號傳導基因的喪失，特別是熱休克因子，都是“利用或失去”的引人注目例子。

Procaccini博士解釋道：“明顯的是，對支持途徑的微調(diào)起到了主導作用，而不是基因承擔了重大的新功能。耐鹽性是一個很好的例子，其中多個過程的更高效率發(fā)生，以調(diào)節(jié)鈉、氯和鉀。演化變化還使不同物種具有耐受不同環(huán)境的能力。”

Reusch教授總結(jié)道：“大多數(shù)生態(tài)上重要的功能是復雜的特征，涉及通過靈活的途徑相互作用的許多基因。有了現(xiàn)在為關(guān)鍵海草開發(fā)的基因組工具，我們可以開始進行實驗性的測試和操控。這對于在氣候變化情景下進行的許多討論中涉及的恢復工作尤為重要。”

這些新的基因組資源將加速對海草生態(tài)系統(tǒng)進行實驗和功能研究，特別是對其管理和恢復的轉(zhuǎn)變性研究。

海洋與濕地——小百科

基爾亥姆霍茲海洋研究中心（GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel）是德國的一家專注于海洋科學研究的機構(gòu)、也是德國海洋科學領(lǐng)域最大的非大學型研究機構(gòu)，屬于德國海洋研究聯(lián)盟的成員之一，總部位于德國基爾市。它是歐洲最大的海洋研究中心，世界五大海洋研究中心之一。該中心的研究領(lǐng)域包括海洋生物學、海洋地質(zhì)學、海洋化學和海洋物理學等多個方面，通過實驗室研究和海上觀測活動，收集和分析海洋數(shù)據(jù)，以深入了解海洋環(huán)境的變化和生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)。

【思考題】學而時習之

Q1: 為什么海草能夠在億萬年前成功從淡水環(huán)境中演化出來，成為唯一完全浸沒在海水中的開花植物？這一罕見的演化事件中發(fā)生了什么關(guān)鍵的基因適應性轉(zhuǎn)變？

Q2：文章中提到海草通過基因組復制實現(xiàn)了對海洋環(huán)境的激進適應。那么，基因組復制是如何幫助海草在面臨嚴峻環(huán)境壓力時實現(xiàn)適應性的？這與海洋環(huán)境的特殊條件有何關(guān)聯(lián)？

Q3：為何海草失去了一些特征，如氣孔、揮發(fā)性物質(zhì)和病原體防御信號傳遞，這些特征在浸沒、高鹽度、海洋環(huán)境中變得多余或有害？這種“利用還是失去”策略對海草在海洋中的生存有何積極的影響？

Q4：文章提到海草的基因適應性變化中，有一部分是由“跳躍基因”——可移動元件——引起的。這些跳躍基因在海草演化過程中扮演了什么樣的角色？它們?nèi)绾蝿?chuàng)造了新的遺傳變異，從而影響海草在海洋環(huán)境中的適應性？

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來源 | GEOMAR官網(wǎng)

編譯 | 王芊佳

審核 | Moretti

排版 | Moretti

【本文參考資料】

Xiao Ma, Steffen Vanneste, Jiyang Chang, Luca Ambrosino, Kerrie Barry, Till Bayer, Alexander A. Bobrov, LoriBeth Boston, Justin E. Campbell, Hengchi Chen, Maria Luisa Chiusano, Emanuela Dattolo, Jane Grimwood, Guifen He, Jerry Jenkins, Marina Khachaturyan, Lázaro Marín-Guirao, Attila Mesterházy, Danish-Daniel Muhd, Jessica Pazzaglia, Chris Plott, Shanmugam Rajasekar, Stephane Rombauts, Miriam Ruocco, Alison Scott, Min Pau Tan, Jozefien Van de Velde, Bartel Vanholme, Jenell Webber, Li Lian Wong, Mi Yan, Yeong Yik Sung, Polina Novikova, Jeremy Schmutz, Thorsten B. H. Reusch, Gabriele Procaccini, Jeanine L. Olsen, Yves Van de Peer. Seagrass genomes reveal ancient polyploidy and adaptations to the marine environment. Nature Plants, 2024; DOI: 10.1038/s41477-023-01608-5

Use it or lose it: How seagrasses conquered the sea

https://www.geomar.de/en/news/article/use-it-or-lose-it-how-seagrasses-conquered-the-sea