進化生物學（(IF: 14.797 ） | 水生所揭示綠藻適應南極環境的早期演化機制

生物在寒冷的南極大陸如何生存演化是一個十分有趣的生物學問題。

目前，對於嗜冷生物生命活動的研究主要是基於對嗜冷酶的理解，而嗜冷酶是經過長期的突變積累和適應性演化形成的。

那麼，通過大氣層流等途徑到達永久性寒冷環境的微生物，在細胞內各種參與代謝的酶完成冷適應之前怎樣在低溫下保持一定的代謝活性和生長能力呢？

這個問題對於理解生物如何適應南極等常年寒冷環境至關重要，然而此前一直沒有答案。

中國科學院水生生物研究所等單位科研人員以從南極分離到小球藻Chlorella vulgaris NJ-7和來自溫帶的小球藻C. vulgaris UTEX259為研究材料，揭示了綠藻在南極環境下的早期適應機制。

水生所徐旭東研究團隊從南極分離到小球藻NJ-7，其18S rRNA序列與來自溫帶的小球藻UTEX259完全相同，核和細胞器基因組結構也支援為同一種。

兩藻株在 20oC 的生長相似，但只有NJ-7能夠在4oC生長，並且NJ-7比UTEX259的抗凍力（-20oC）大幅提高。

化石標定分析綠藻演化時間顯示，NJ-7和UTEX259的分離時間在2.6百萬年左右，遠晚於南極大陸與南美分離時間。

通過對基因組、轉錄組和定量蛋白組的系統深入分析，發現南極小球藻的適應性進化主要是基於LEA蛋白（圖1）和各類酶水平（見圖2舉例）的提高，以及某些酶的正向選擇。

LEA蛋白的積累使其在冰凍條件下保持存活，而系統地提升關鍵酶的含量則直接導致酶活性增加（比活性基本不變），使初到南極的小球藻在接近0 oC條件下保持代謝活性並獲得生長能力。意外的是，這些在南極藻株含量提高的酶和蛋白大多數並不是受低溫誘導表達的。

該研究首次揭示了微藻在南極環境下的早期適應機制，初步解答了在酶完成寒冷適應之前細胞如何保持較高酶活力這一問題，對於微生物、低等動植物如何適應南極環境有重要參考價值。

此外，這一研究提供了非常罕見的分離時間以百萬年計的種內演化例證，也是嗜溫微生物轉移至南極並適應寒冷環境的第一個實例研究。

該項持續10餘年的研究先後得到中科院知識創新工程重要方向項目、湖北省創新群體項目以及淡水生態和生物技術國家重點實驗室的支援，研究結果近期在線發表於進化生物學領域的國際期刊Molecular Biology and Evolution(IF: 14.797 )。

水生所博士王雅麗為該論文第一作者，研究員徐旭東為通訊聯繫人。合作單位和人員有華中科技大學教授郭安源、中科院青島生物能源與過程研究所研究員徐健等人。

圖1. LEA蛋白基因在小球藻染色體上的分布(a)和系統演化關係(b)。(b)圖中還標註了LEA蛋白預測的胞內分布

圖2. 小球藻南極株和溫帶株中參與碳代謝的部分酶的差異表達。橘黃色標註的酶表示在南極株中的水平比在溫帶株中顯著增加

https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msz273/5626244