Sporing af antarktiske tilpasninger i kiselalger

Kiselalger er en almindelig type fotosyntetiske mikroorganismer, findes i mange miljøer fra hav til jord; i havene, de er ansvarlige for mere end en tredjedel af det globale kulstof fra havet, der fanges under fotosyntesen. Dette fører til, at en betydelig mængde sekvestreret kulstof ender i sedimenterne på bunden af ​​havet. I både ferskvands- og marine økosystemer, bunden af ​​fødenettet består af et mangfoldigt samfund af fytoplankton, der omfatter kiselalger, der kan trives i en lang række temperaturer. I det sydlige eller antarktiske hav, store populationer af en bestemt kiselalger, Fragillariopsis cylindrus , dominerer planteplanktonsamfundene.

For at lære mere om hvordan F. cylindrus tilpasset sit ekstremt kolde miljø, et hold ledet af University of East Anglia (UEA) forskere i Norwich, England gennemførte en sammenlignende genomisk analyse, der involverede tre kiselalger ved at udnytte ekspertise fra det amerikanske Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI), som udførte al sekventering og annotering. Resultaterne, rapporteret online 16. januar, 2017 i bladet Natur , gav indsigt i genomstrukturen og udviklingen af F. cylindrus , samt denne diatoms rolle i det sydlige hav. Af særlig interesse var det F. cylindrus , som er diploid (den har to kopier af hvert kromosom, således to versioner af hvert gen) kan selektivt udtrykke den variant, der er bedst egnet til at hjælpe den med at håndtere sit miljø. Dette giver yderligere genom-rodfæstet modstandskraft til organismen, efterhånden som dens miljø ændrer sig.

"Mange arter inklusive fytoplankton er endemiske i det sydlige ocean, " sagde Thomas Mock fra UEA, der ledede undersøgelsen. "De har udviklet sig over millioner af år for at kunne klare dette ekstreme og meget varierende miljø. Hvordan de gjorde det er stort set ukendt. Derfor giver vores data første indsigt i, hvordan disse nøgleorganismer understøtter et af de største og unikke marine økosystemer på Jorden har udviklet sig."

At trives i det sydlige ocean, F. cylindrus skal være lydhør over for en lang række forhold, herunder mørke, fryse- og tøtemperaturer, og varierende niveauer af kuldioxid og jern. For eksempel, som mange andre planteplankton, F. cylindrus bliver fanget med havisen om vinteren og frigives om sommeren, når det meste af havisen smelter.

60-millioner basepar (Megabase eller Mb) genomet af F. cylindrus blev sekventeret som en del af DOE JGI's 2007 Community Science Program-portefølje. Den første version af genomsamling var tilgængelig i 2010, at analysere genomet krævede seks år mere og flere grupper, herunder genomikere og populationsgenetikere. Til den sammenlignende analyse, dets genom blev sammenlignet med kiselalgernes genom, Thalassiosira pseudonanana og Phaeodactylum tricornutum, begge fundet i tempererede oceaner med højere koncentrationer af opløst jern. Disse kiselalgergenomer blev tidligere rapporteret af DOE JGI.

Analysen afslørede næsten en fjerdedel af F. cylindrus genomet indeholdt meget divergerende alleler, kopier af de samme gener som findes i de andre kiselalger, men som var divergeret ved akkumulering af mutationer. Teamet fandt ud af, at denne alleliske divergens synes at falde sammen med den sidste istid, som startede omkring 110, 000 år siden. "Det var bemærkelsesværdigt at opdage, at forskellige alleler af de samme gener divergerer og udvikler sig for at reagere på forskellige miljøfaktorer, " sagde Igor Grigoriev, DOE JGI Fungal Genomics leder og forfatter af seniorstudiet.

Mock bemærkede, at holdet også fandt mange gener "unikke" for F. cylindrus , såsom isbindende proteiner og rhodopsin. Han tilføjede, at de observerede mange proteiner med zinkdomæner, på grund af den høje koncentration af zink i det sydlige ocean, som ikke var blevet fundet i noget andet fytoplanktongenom. Den zinkbindende proteinfamilie ser ud til at have udvidet sig inden for de sidste 30 millioner år.

"At finde ud af, at F. cylindrus befolkning opretholder og understøtter omfattende variation for at give befolkningens tilpasningsevne under barske miljøforhold, har brede implikationer for vores forståelse af naturlige populationer til skiftende miljøforhold, " sagde Jeremy Schmutz, leder af DOE JGI's Plant Program og en studie medforfatter. "På et individuelt genotypeniveau, det observerede skift af ekspression fra én haplotypekopi af genet til den anden haplotypekopi under skiftende betingelser demonstrerer kompleksiteten af ​​overlevelsesmekanismer, der er til stede i naturen til at oversætte tilgængelig genomisk variation og indhold til miljørespons. For de fleste diploide eukaryote organismer, vi har betragtet de separate haplotyper som stort set overflødige, og genererede en enkelt haplotype reference, men det fremgår i tilfælde af F. cylindrus den største variation i de to haplotyper er afgørende for artens overlevelse og tilpasning og kan indeholde variationer i regulatorisk indhold. Dette vil sandsynligvis ændre den måde, de genomiske teknikker og assays anvendes af samfundet på havlevende eukaryote arter."