坛紫菜及其栽培种植示意图

近日，宁波大学陈海敏课题组联合宁波海洋研究院、菲沙基因在进化领域顶级期刊Molecular Biology and Evolution（IF=16.24）上发表了题为“Insights into the Ancient Adaptation to Intertidal Environments by Red Algae Based on a Genomic and Multi-Omics Investigation of Neoporphyra haitanensis”的研究论文，该研究首次利用Meta-Hi-C技术构建了染色体水平的坛紫菜基因组，解析了坛紫菜与共附生微生物间的互作关系，并联合比较基因组、转录组、代谢组、蛋白组等多组学技术系统阐述了坛紫菜随潮水涨落经历的周期性的快速干出与浸没的适应机制，从而为生物从海洋向陆地过渡的适应进化提供了新见解。

图1  文章发表信息

潮间带是一个神奇而特殊的生境，由于受到陆、海双重影响，环境变化剧烈，自然条件恶劣。但恰恰是这种复杂的生境孕育了海洋无限的生机。栖息在其中的海洋生物必然具备某些特殊的本领才能适应这种海陆变迁的环境。红藻在十亿年的进化中不断获得各种潮间带的适应特征，如叶状体的强适干、适冷能力；特殊的丝状体和叶状体的两世代生活史；以及与微生物间的神秘关系。 因此，本文在染色体级别的基因组信息的基础上，结合多组学技术解释潮间带红藻如何实现基于简单体系的复杂环境适应能力，从而帮助了解生物耐干的机制进化。

材料：坛紫菜（Neoporphyra haitanensis）

测序策略：PacBio+Hi-C+Illumina

组学实验设计：新鲜(HD)；脱水20% RWC、5% RWC；复水(RH) 30s、5min、1h、12h

图2  研究技术路线

1.Meta-Hi-C构建坛紫菜基因组及其比较基因组分析

以往研究报道，坛紫菜基因组难以组装的主要原因是共附生着难于除去的微生物。为构建高质量的坛紫菜基因组，研究者先通过PacBio测序并组装获得了99.03 Mb的基因组（contig 版本）；随后Meta-Hi-C技术基于染色体互作关系显示上述的contig基因组被划分为4个部分，第一个部分对应的是坛紫菜基因组，共包含5条scaffold；最终去污后的坛紫菜基因组大小为49.67 Mb，contig N50=650 Kb。通过注释，发现坛紫菜中重复序列占比31.61%，共注释得到9496个蛋白编码基因。与已发表的红藻基因组相比，提示基因紧凑、高GC含量是红藻基因组的一种祖先特征。

图3  坛紫菜的基因组特征

比较基因组分析表明，坛紫菜对潮间带的适应性至少发生在738.5个百万年前；基因家族聚类分析表明，坛紫菜与其近缘种共有基因为142个，这些基因的功能大致分为三类：与贝壳丝状体相关、与潮间带适应性相关、转运蛋白相关基因等，而坛紫菜特有的基因主要富集在编码谷氨酸合成酶、GST及卤过氧化物酶合成相关的通路中。

图4  坛紫菜的比较基因组学分析

2.基于Meta-Hi-C鉴定坛紫菜与其共生细菌间的重要关系

Meta-Hi-C互作热图的第二部分共包括10条superscaffold，其完整性好，且污染率低，与公共数据库比对发现，部分superscaffold与已知的细菌基因组具有良好的共线性（但占比较低）。此外，几乎所有的superscaffold都有完整的原核电子传递链(ETC)复合物的补体，以及糖酵解途径、磷酸戊糖途径、柠檬酸循环、乙醛酸循环和羟丁酸二羧酸循环的基因。这些结果说明了基于Meta-Hi-C可以为在复杂环境样本中发现新的细菌物种提供信息。

通过对这10条superscaffold进行基因注释，共得到32229个基因，但其中68.42%的基因不能与已知数据库匹配，提示可能存在大量的未知微生物。研究者在这些superscaffold中鉴定出了部分植物激素的合成途径基因，而坛紫菜基因组中缺失大部分植物激素合成的基因，这说明共附生微生物可能与坛紫菜协同完成某些植物激素的合成。此外，通过比较在坛紫菜和其它紫菜中共同存在的细菌序列，研究者发现转运体基因可能提供了一种快速完成代谢适应以应对复杂环境胁迫的机制。

通过将坛紫菜基因组与refseq蛋白数据库进行比对，研究者对坛紫菜与微生物间的水平基因转移事件（HGT）进行了研究，结果表明坛紫菜从细菌中获得的HGT基因增强了其环境适应能力。具体来说，包括用于复杂化学防御的独特脂氧合酶家族基因（LOX基因）、用于贝壳阶段生存和碳浓缩的碳酸酐酶（CAs）以及许多参与耐受性的基因。

图5  坛紫菜与其它紫菜共有细菌序列分析

3.多组学研究揭示了坛紫菜对潮间带环境的适应性

生理学实验表明，坛紫菜在脱水后再次接触海水能快速复水，即使在脱水达95%情况下坛紫菜也没有细胞死亡。随后研究者综合运用转录组、蛋白组和代谢组技术对坛紫菜不同处理条件下的脱水组、复水组进行PCA分析、代谢通路和Cluster聚类分析，揭示了坛紫菜在脱水、复水不同阶段时转录、蛋白和代谢物的关键变化，例如转录变化主要发生在失水初期、抗氧化和渗透保护途径在脱水的后期开始改变、脱水开始后代谢活性增加、一些氨基酸生物合成基因在脱水和复水早期也上调。总之，多组分析表明，坛紫菜脱水和随后的快速恢复不是简单的适应，每天有限的脱水时间间隔允许细胞为脱水后的恢复和修复做一系列的准备。

图6  坛紫菜脱水和复水的多组学分析

4.坛紫菜通过多种方式来适应潮间带环境

潮间带的红藻每天都会经历周期性的干燥。它们简单的基因组迫使它们在干燥过程中采取被动、简单和快速的适应模式。研究者随后重点研究了坛紫菜光合系统、抗氧化系统、大分子的合成与修复是如何适应潮间带环境的。

结果表明，坛紫菜能在水分流失时立即关闭其光合系统，以减少光损伤和碳同化的能量消耗，同时细胞减缓了大分子的合成。在整个脱水复水过程中，坛紫菜始终保持稳定的mRNA库；核糖体生物发生的基因始终保持活性来保证蛋白质的持续合成。此外，热激蛋白和修复机制的活跃，维持了DNA与RNA的稳定性。此外，S-腺苷-甲硫氨酸依赖的甲基转移巧妙地将多胺和GSH-AA-NADPH抗氧化系统结合起来，通过加强整个细胞抗氧化系统，有效逆转不可避免的氧化损伤，避免细胞死亡。总之，在潮间带环境中，坛紫菜形成的关闭-准备-保护-修复-恢复适应机制是系统有效且独特的。

图7  坛紫菜光合系统对潮间带胁迫的响应策略

原文链接：https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msab315/6420224?login=true