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科研动态

《自然·生态与进化》发表海洋最重要的初级生产者——原绿球藻的进化适应机制研究成果

2021/12/24点击次数:

2021年12月23日,厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室(MEL)张瑶教授团队与香港中文大学罗海伟教授团队合作,在Nature Ecology & Evolution(《自然·生态与进化》)发表题为“Prochlorococcus have low global mutation rate and small effective population size”的研究论文。

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该研究通过连续3年的大规模单克隆连续传代,首次开展了原绿球藻的基因突变累积实验,揭示了原绿球藻突变速率低、有效种群规模小的特征;研究颠覆了“原绿球藻的进化由自然选择主导”的传统认知,证明了遗传漂变在原绿球藻的进化和生态适应中的重要作用。


研究背景

原绿球藻是地球上数量最多的光合自养生物,是海洋生态系统中极为重要的初级生产者,每年固定约40亿吨碳,在生物地球化学循环中发挥着重要作用。正是由于原绿球藻拥有巨大的种群数量和广泛的海洋地理分布,学界默认其有效种群规模也很大,进而认为自然选择在原绿球藻进化适应过程中极其有效,从而忽略遗传漂变作用。原绿球藻基因组小、GC含量低的特点也因此被认为是自然选择的结果——适应于寡营养环境。然而,长期以来上述传统观点缺少直接的实验证据,其是否正确一直是学界研究的重要科学问题。


研究进展

有效种群规模(Ne)是认识原绿球藻种群生态、分子和群体遗传特征的关键参数。明确原绿球藻的Ne,需要先进行突变累积实验测得原绿球藻准确的突变速率。该研究克服了原绿球藻难以在实验室培养且生长缓慢的困难,首次开展了原绿球藻的突变累积实验。整个实验耗时四年,实验设置由一个细胞起源的150个独立细胞系,每个细胞系在1065天内各自单克隆连续传代39次,最终有141个细胞系存活。经全基因组测序分析,实验最终测得原绿球藻的突变速率为3.50 × 10-10 /site/generation,处于原核生物的正常水平(图a, d),这表明原绿球藻并没有因为缺失多种DNA修复酶而获得较快的突变速率。在测得准确突变速率的基础上,该研究对418个原绿球藻基因组进行了严谨的物种划分,并计算出原绿球藻的Ne为1.68 × 107(图a,b,c)。该Ne值小于许多典型的海洋自由生活菌,这颠覆了原绿球藻Ne巨大的传统认知。



进一步分析发现广泛分布的原绿球藻具有大量共存的孤立种群,这可能与小生境适应相关——不同的小生境被有不同代谢特点的孤立种群所占据。同时,这些孤立种群内部基因重组水平较低。基于此,研究提出了原绿球藻遗传漂变加强的机制——周期性选择。即在低重组水平的条件下,自然选择发挥作用时会固定包含优势基因的整个基因组,而淘汰不包含优势基因的整个基因组,从而降低原绿球藻的中性遗传多态性和有效种群规模,强化其遗传漂变的作用。该研究给寡营养环境中优势类群常见的基因缩减现象,在传统的“寡营养环境适应”观点之外,提供了一种创新的观点和理论。


厘清原绿球藻的种群进化和生态适应机制,有助于理解原绿球藻如何在开放大洋获得优势并成为海洋生态系统中最丰富的自养类群,对于准确理解其在现代海洋元素循环和地球进化史中的地位有重要意义。


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变速率(Up)、有效种群数量(Ne)之间的相互关系。灰色虚线黑色实线分别代表广义线性回归(GLM)和系统发育广义最小二乘回归(PGLS)


研究团队

该研究得到了国家自然科学基金项目的资助,我实验室博士生陈卓宇(受MEL优秀博士生奖学金资助)与香港中文大学王晓君博士为论文共同第一作者。香港中文大学罗海伟教授和我实验室张瑶教授为论文共同通讯作者。


论文来源

Z. Chen^, X. Wang^, Y. Song, Q. Zeng, Y. Zhang*, and H. Luo*. 2021. Prochlorococcus have low global mutation rate and small effective population size. Nature Ecology & Evolution, DOI: 10.1038/s41559-021-01591-0

论文链接

https://rdcu.be/cDLSh


供稿:张瑶教授团队