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比较基因组学揭示蓝藻环境适应机制研究型文章见刊ISME!!

来源:admin    发布时间:2020-09-21   阅读数:91

金秋九月,a级黄色片高分项目文章再次喜获佳讯!由中国科学院水生生物研究所宋立荣研究员课题组、暨南大学生命科学技术学院韩博平教授课题组、华南师范大学生命科学学院束文圣教授课题组联合研究的研究成果在《The ISME Journal》杂志上发表,华南师范大学青年研究员陈梦云博士为论文的第一作者。热烈祝贺三位老师及其研究团队!此项研究通过比较基因组的方式深入探讨了蓝藻适应不同环境时基因组层面的差异,拓展了对蓝藻适应不同环境的机制认识,下面分享文章的新鲜解读!


Comparative genomics reveals insights into cyanobacterial evolution and habitat adaptation

比较基因组学揭示蓝藻环境适应机制


a级黄色片项目文章|比较基因组学揭示蓝藻环境适应机制研究型文章见刊ISME!!


作者:Meng-Yun Chen1 , Wen-Kai Teng2 , Liang Zhao1 , Chun-Xiang Hu3 , Yang-Kai Zhou4 , Bo-Ping Han5*, Li-Rong Song3*, Wen-Sheng Shu1*

期刊:ISME

时间:2020.9.17

影响因子:9.18

DOI:https://doi.org/10.1038/s41396-020-00775-z


一、文章摘要

蓝藻是光合原核生物,可生存在不同的水生和陆地环境中,是地球上重要的初级生产者,但目前对它适应环境的进化机制知之甚少。在本文中,作者基于650个蓝藻基因组进行遗传进化与比较分析来研究蓝藻适应不同环境(海洋、淡水和陆地)的遗传机制。研究发现基因家族扩张是陆地蓝藻适应环境变化的普遍策略,而大多数海洋蓝藻以基因家族收缩来适应海洋环境的营养不足。同时发现数百种基因与特定环境显著相关,如光感应、渗透压调节和营养物质运输相关的基因在不同环境的蓝藻基因组中丰度差异明显。并且水平基因转移(HGT)是蓝藻获取适应不同环境的功能基因的重要来源。综上所述,本研究拓展了对蓝藻适应不同环境的机制认识,同时肯定了环境对蓝藻基因组演化的影响。


二、主要内容

1.环境影响蓝藻基因组特性

本研究对163种蓝藻进行测序并组装获得基因组,同时从NCBI下载了727个蓝藻基因组,经过质控后保留650个高质量的蓝藻基因组构建系统进化树,并且以不同的颜色标注了对应的环境信息,包括海洋、淡水、陆地、热泉和宿主寄生(图1)。经过筛选最终使用99个海洋蓝藻基因组、184个淡水蓝藻基因组和127个陆地蓝藻基因组进行比较基因组分析,发现陆地蓝藻基因组平均长度大于海洋和淡水的蓝藻基因组,而海洋蓝藻基因组是最小的(图2.a),可推测基因组大小与环境复杂度存在一定的相关性。


蓝藻进化树图
图1. 蓝藻基因组系统进化树


基于KEGG数据库中的22个重要功能分类进行富集分析,发现与海洋和淡水蓝藻相比,陆地蓝藻基因组中功能基因显著富集(图2.b),例如与细胞调控、物质运输和细胞运动相关的基因家族明显扩张。而与海洋蓝藻相比,淡水蓝藻的基因功能类别有明显富集,但与陆地蓝藻相比,淡水蓝藻的基因富集情况则不明显,这一结果暗示基因功能的富集程度也与环境复杂度存在一定的相关性。


蓝藻环境适应机制研究对比图
图2.海洋、淡水和陆地蓝藻比较基因组分析。a:基因组大小比较;b:22种功能基因富集分析。


2.数百种基因与蓝藻适应环境紧密相关

蓝藻可将光能转化成化学能,因此蓝藻对不同环境的光感知和反应非常重要。趋光性有利于蓝藻找到最佳的光照条件,已有报道pixJ可编码含有光感应区域的蛋白,因此推测pixJ是蓝藻与趋光性相关的重要基因。而富集分析结果显示,与海洋和淡水蓝藻相比陆地蓝藻基因组中的pixJ基因显著富集(图3.a),说明pixJ基因的存在利于陆地蓝藻移动来寻找最佳光照条件。

对于蓝藻来说,除了光感应以外,还有其他因素可影响其适应不同的环境,如营养条件、温度和盐浓度等因素。蓝藻可利用渗透物质来调节在海洋环境中渗透压,因此与渗透压相关的基因在海洋蓝藻基因组中显著富集(图3.b),除此之外yrbG基因、sodN基因和sod2基因也均在海洋蓝藻基因组中富集 。虽然淡水蓝藻基因组平均长度大于海洋蓝藻,但在淡水蓝藻基因组中显著富集的基因数量远小于海洋蓝藻,同时作者发现双向氢化酶与蓝藻适应淡水环境息息相关(图3.c)。陆地生态系统中如温度、水和营养物质等环境因素变化十分剧烈,环境选择压力直接影响在此生境中的微生物。因此为了适应多变的环境,陆地蓝藻基因组的多种功能基因出现显著富集,如化感调节基因、各类转运蛋白相关基因和与代谢相关基因等(图3.d),以适应陆地的复杂情况。


a级黄色片项目文章|比较基因组学蓝藻环境适应机制研究型文章研究图
图3.与蓝藻适应环境紧密相关的基因。a:陆地光感应基因富集;b:海洋蓝藻调节渗透压相关基因富集;c:淡水蓝藻氢化酶基因富集;d:陆地化感调节基因富集。


3.HGT在蓝藻适应环境中的作用

在细菌基因组进化中,HGT是一种常见而重要的影响方式。在本研究中使用基于BLAST的方式在519个蓝藻基因组中共检测117938个HGT事件,而在不同的蓝藻基因组中监测到的HGT事件数量差异较大,从9个至1064个不等(图4.a)。将来自不同生存环境的蓝藻基因组的HGT事件进行比较分析,分析发现与宿主关联的蓝藻基因组上出现HGT的频率最高,与过往研究结果一致,推测是为了适应宿主的表现。值得注意的是,陆地蓝藻基因组上出现HGT的频率明显高于海洋和淡水蓝藻(图4.b)。结合KEGG注释分析出现HGT的基因功能,发现51.2%的基因与代谢功能相关和14.1%的基因与环境信息感应相关,这与“复杂性假说”一致,基础功能基因发生HGT的可能性低于代谢功能基因。

综上所述,本研究结果表明通过获得和维持外源基因来形成适应性优势是蓝藻适应不同的生存环境的重要途径。


a级黄色片项目文章|比较基因组学揭示蓝藻环境适应机制研究型文章图集
图4.蓝藻基因组HGT事件分析。a:不同生存环境的蓝藻基因组上的HGT分布;b:不同生存环境的蓝藻基因组上的HGT统计。


三、总 结

本研究通过比较基因组的方式深入了解了蓝藻适应不同环境时基因组的差异,揭示了其中的适应机制和方式。




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