2020年8月12日，国际学术期刊Nature杂志子刊Nature Communications在线发表题为“Pyropia yezoensis genome reveals diverse mechanisms of carbon acquisition in the intertidal environment”（《条斑紫菜基因组揭示潮间带环境下多样性的碳获取机制》）最新研究成果。重点实验室王冬梅副教授、博士生于欣孜、徐奎鹏、毕桂琪、曹敏等为共同第一作者，茅云翔教授（现工作单位为海南热带海洋学院）和美国罗格斯大学Debashish Bhattacharya教授为共同通讯作者。研究成果系统解读了红毛菜目代表性物种条斑紫菜的基因组特性，揭示了驱动紫菜异型世代适应生境的进化力量。

紫菜是重要的经济海藻，也是研究环境胁迫耐受机制的模式物种。紫菜等红毛菜目藻类具有典型的异形世代生活史，其叶状配子体世代定生于高潮带，历经潮起潮落过程中渗透压、温度、辐射等环境因子急剧变化的胁迫，而丝状孢子体世代则栖居于碳酸钙质的贝壳中。红毛菜目的物种如何进化出形态不同且生境不同的两种世代？其叶状体世代为何具有强大的抗逆能力？丝状体世代在贝壳中如何获取足够无机碳？这些问题一直是藻类学研究中备受关注的科学问题。

王冬梅等作者采用新一代高通量测序技术构建了高质量的染色体级条斑紫菜基因组，组装成三条染色体，基因组大小为108Mb，其中重复序列占比48%，蛋白质编码基因共12,855个。通过比较基因组学分析鉴定出条斑紫菜基因组中“基因拷贝数显著增多”的基因家族。其中与抗氧化有关的基因家族，如SOD，LOX，TRX、TYR等，均呈现叶状体世代特异性的表达活性，且在失水逆境下这些叶状体特异基因具有显著上调的转录特征，表明抗氧化基因家族的扩张及共表达特征是叶状体世代适应极端环境的重要遗传基础。碳酸酐酶（CA）是藻类二氧化碳浓缩机制中的关键基因，条斑紫菜基因组中CA基因家族显著扩张。作者根据各CA蛋白的亚细胞定位，在不同世代以及叶状体失水逆境下的转录表达特征，构建了紫菜二氧化碳浓缩机制模型，揭示紫菜叶状体在干露失水时利用空气二氧化碳作为碳源的遗传机制。同时，丝状体世代也具有特异性表达的分泌性CA蛋白。作者通过同位素标记、酶活抑制实验、生化酶活测定等，证实栖居于贝壳中的丝状孢子体在细胞外CA作用下，将贝壳中的碳酸钙转化为碳酸氢根，可作为丝状孢子体吸收利用的主要碳源之一。另外，研究还证明来自于细菌的基因水平转移是条斑紫菜基因家族扩张的进化来源之一。

茅云翔教授带领的藻类遗传学与育种团队长期致力于经济海藻遗传学研究，在藻类重要经济性状定位技术，抗逆、抗病分子遗传机制等研究领域取得多项重要研究成果。2019年团队在生物进化领域权威期刊Molecular Ecology Resources上发布重要经济物种坛紫菜基因组，是国际上首个染色体级别经济海藻基因组。本次发表条斑紫菜基因组研究成果是团队在这一领域取得的又一重要进展，对于深入了解红藻重要经济性状的遗传基础，指导紫菜优良品种选育具有重要意义。

该研究是在国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项、山东省重大科技创新专项“深蓝渔业”、农业部现代农业杰出人才培养计划、中央高校基本科研项目等研究经费的资助。美国罗格斯大学Debashish Bhattacharya教授团队、中科院青岛生物能源与过程研究所付春祥研究员团队、黄海水产研究所、中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室等共同参与了项目研究。

Fig. 1. The life cycle of P. yezoensis showing the alternation of heteromorphic generations inhabiting distinctive niches.

Fig. 2. Diverse mechanisms of carbon acquisition in the intertidal environment in Pyropia life cycle. (a) The proposed schematic diagram showing the possible organization of CA isoforms in the CCM of Pyropia. (b) The digestion of shell CaCO3 by the conchocelis and utilization of generated carbon flux in conchocelis, as well as the function of extracellular carbonic anhydrase.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17689-1