通過蟲黃藻基因組解讀甲藻基因表達和珊瑚共生的分子機制

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通過蟲黃藻基因組解讀甲藻基因表達和珊瑚共生的分子機制

甲藻是海洋生態系統中最重要的初級生產者之一，其中蟲黃藻( Symbiodinium)是珊瑚礁中必不可少的共生藻．珊瑚礁豐富的生態系統全部依賴于共生甲藻經光合固碳作用貢獻的初級生產力．甲藻在細胞生物學、進化和基因組學上都擁有非常“不尋常”的特性，它雖是單細胞生物，卻擁有巨大且差異懸殊的基因組( 11億～2 450億個堿基對)，相當于人類單倍體基因組的1～80倍［1］．

“千人計劃”林森杰教授長期從事甲藻生理生態的分子機制研究，發現了甲藻基因轉錄過程中存在特殊的剪切機制［2］．并利用這一特性深入開展了甲藻細胞周期、光合作用和營養鹽利用等相關功能基因的分子調控研究，利用基因組學和轉錄組學深入研究甲藻的基因表達調控機制．2015年11月，林森杰教授課題組在《Science》雜志上發表題為“The genome of Symbiodinium kawagutii illuminates dinoflagellate gene expression and coral symbiosis”的研究論文［3］，選取分離自珊瑚礁樣本中的蟲黃藻( S．kawagutii) (基因組大小1．18 Gbp)為研究對象，探索甲藻的基因組學特性，進一步解讀其調控甲藻重要生物學特征及與珊瑚共生的分子機制．該研究通過采用高通量Illumina測序獲得覆蓋80%基因組( 0．935 Gbp)的高質量拼接序列，結果表明該基因組編碼36 850個基因，其中68%以基因家族的形式存在．該研究同時整合目標生物的轉錄組學和微小RNA測序普查工作，并借助于研究團隊長期積累的甲藻轉錄組數據以及分子生理生態數據，以蟲黃藻為模式生物，系統、完整地分析了甲藻基因組的結構特性及進化歷史，包括以轉座子和反轉座子為主的基因組擴增機制，以及新型的基因調控啟動子．通過與其他真核單細胞藻類和原生動物等近源物種的比較基因組學分析，探索了甲藻基因家族的進化特征，同時發現了參與控制甲藻有性生殖和形成休眠包囊的相關基因．通過進一步深入的比較基因組學分析，描繪了珊瑚蟲和蟲黃藻共生過程中相互作用的分子機制(圖1)，結果表明部分基因在兩者中可能存在協同進化關系，同時蟲黃藻的微小RNA( miRNA)可能同時對宿主和自身的基因表達進行調控．

圖1蟲黃藻( S．kawagutii)和珊瑚( coral)共生體系中進行營養物質交換和通過微小RNA( miRNA)調控雙邊共同蛋白表達的分子機制示意圖［3］

該研究報道了具有重要生態意義的一類甲藻(蟲黃藻)的高質量拼接的基因組序列，以及深入的比較基因組學分析，為今后甲藻生物學和珊瑚－蟲黃藻共生生態系統的深入研究奠定了堅實的分子生物學基礎．此項成果將有助于今后對全球環境變化下珊瑚礁生態系統的演替趨勢的研究，以及揭示珊瑚礁白化的誘因和分子機制，并為如何開展珊瑚礁生態系統的保護和修復工作提供科學依據．

參考文獻:

［1］LIN S．Genomic understanding of dinoflagellates［J］．Res Microbiol，2011，162: 551－569．

［2］ZHANG H，HOU Y，MIRANDA L，et al．Spliced leader RNA trans－splicing in dinoflagellates［J］．Proc Natl Acad Sci USA，2007，104: 4618－4623．

［3］LIN S，CHENG S，SONG B，et al．The genome of Symbiodinium kawagutii illuminates dinoflagellate gene expression and coral symbiosis［J］．Science，2015，350: 691－694．

(曹雅坤編寫)

·廈門大學研究亮點·

文章編號:0438－0479( 2016) 01－0001－01

doi:10．6043/j．issn．0438－0479．2016．01．001