通过虫黄藻基因组解读甲藻基因表达和珊瑚共生的分子机制



通过虫黄藻基因组解读甲藻基因表达和珊瑚共生的分子机制

甲藻是海洋生态系统中最重要的初级生产者之一，其中虫黄藻( Symbiodinium)是珊瑚礁中必不可少的共生藻．珊瑚礁丰富的生态系统全部依赖于共生甲藻经光合固碳作用贡献的初级生产力．甲藻在细胞生物学、进化和基因组学上都拥有非常“不寻常”的特性，它虽是单细胞生物，却拥有巨大且差异悬殊的基因组( 11亿～2 450亿个碱基对)，相当于人类单倍体基因组的1～80倍［1］．

“千人计划”林森杰教授长期从事甲藻生理生态的分子机制研究，发现了甲藻基因转录过程中存在特殊的剪切机制［2］．并利用这一特性深入开展了甲藻细胞周期、光合作用和营养盐利用等相关功能基因的分子调控研究，利用基因组学和转录组学深入研究甲藻的基因表达调控机制．2015年11月，林森杰教授课题组在《Science》杂志上发表题为“The genome of Symbiodinium kawagutii illuminates dinoflagellate gene expression and coral symbiosis”的研究论文［3］，选取分离自珊瑚礁样本中的虫黄藻( S．kawagutii) (基因组大小1．18 Gbp)为研究对象，探索甲藻的基因组学特性，进一步解读其调控甲藻重要生物学特征及与珊瑚共生的分子机制．该研究通过采用高通量Illumina测序获得覆盖80%基因组( 0．935 Gbp)的高质量拼接序列，结果表明该基因组编码36 850个基因，其中68%以基因家族的形式存在．该研究同时整合目标生物的转录组学和微小RNA测序普查工作，并借助于研究团队长期积累的甲藻转录组数据以及分子生理生态数据，以虫黄藻为模式生物，系统、完整地分析了甲藻基因组的结构特性及进化历史，包括以转座子和反转座子为主的基因组扩增机制，以及新型的基因调控启动子．通过与其他真核单细胞藻类和原生动物等近源物种的比较基因组学分析，探索了甲藻基因家族的进化特征，同时发现了参与控制甲藻有性生殖和形成休眠包囊的相关基因．通过进一步深入的比较基因组学分析，描绘了珊瑚虫和虫黄藻共生过程中相互作用的分子机制(图1)，结果表明部分基因在两者中可能存在协同进化关系，同时虫黄藻的微小RNA( miRNA)可能同时对宿主和自身的基因表达进行调控．

图1虫黄藻( S．kawagutii)和珊瑚( coral)共生体系中进行营养物质交换和通过微小RNA( miRNA)调控双边共同蛋白表达的分子机制示意图［3］

该研究报道了具有重要生态意义的一类甲藻(虫黄藻)的高质量拼接的基因组序列，以及深入的比较基因组学分析，为今后甲藻生物学和珊瑚－虫黄藻共生生态系统的深入研究奠定了坚实的分子生物学基础．此项成果将有助于今后对全球环境变化下珊瑚礁生态系统的演替趋势的研究，以及揭示珊瑚礁白化的诱因和分子机制，并为如何开展珊瑚礁生态系统的保护和修复工作提供科学依据．

参考文献:

［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．

(曹雅坤编写)

·厦门大学研究亮点·

文章编号:0438－0479( 2016) 01－0001－01

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