极地生态环境脆弱：极地生物如何应对极端环境条件变化

导语

一个国际研究小组的研究人员已经确定了基因突变可以使来自南冰洋的微藻类浮游植物适应极端又极度频繁变化的气候——直接解释了极地生物受到气候变化的影响。相关论文发表在 1 月 17 日的 Nature 杂志上。

托马斯 · 默克教授领导的研究小组来自于东安格利亚大学 (UEA) 学院环境科学研究院，他们发现这些属于极地硅藻类的圆柱拟杆藻的基因组已经进化到了使它们能够足以在南冰洋和北极洋繁殖的能力。基因组测序是由美国能源部联合基因组研究所 (核桃溪市，美国) 和厄勒姆学院 (EI)(英国诺里奇) 共同完成。

目前我们还不知道这些浮游生物是怎么进化出应对具有强季节性，零下极寒以及漫长黑暗无光的极地海洋气候的。不过这些来自于 圆柱拟杆藻的 基因组序列代表了一个有多细胞组成的“高等”极地真核生物的完整基因组，具有非凡的意义。

圆柱拟杆藻 是一个很关键的物种，特别是那些繁衍在南冰洋和海洋冰块中的圆柱拟杆藻 , 它们支撑了存于地球上的最独特食物网中的一个，养活了磷虾，企鹅，海豹和鲸鱼。

大多数生活在南冰洋的浮游植物面临着冬季从海水中凝结到冰块中去，当夏天海洋中的冰块融化时，又被释放的海洋中去，这极端变化的过程。但生活在这里的如圆柱拟杆藻等物种，却已经早已进化出能够适应这种极端环境变化的能力。

研究人员发现 , 它们能够适应的原因是它们可以改变它们的等位基因，并且这些等位基因还尚未在其他海洋生物中被报道过。等位基因是一个基因的不同变体，它们处于一对染色体的相同位置或者相同的基因位点。圆柱拟杆藻是双倍体生物，因为它们在同一个基因位点上有一对等位基因。

默克教授说 :“ 我们的研究发现 , 近四分之一的基因组包含具有变体的等位基因。这些等位基因在不同的环境条件下差异化表达 , 而且我们发现的证据表明 , 也正是这些条件导致了等位基因的分化。由于极地硅藻的种群数量巨大，有效的使得有足够的等位基因适应每一种环境 , 这似乎是使得这种生物能够有效适应极端环境变化的原因。”

这项研究发表在《自然》杂志上，是了解极地生物如何应对极端环境条件变化的重要一步 , 我们也因此可以推测出它们能够应对由人类活动造成的环境变化的潜力。关于到极地生物的研究项目是极为有限的 , 因为人们在极地工作或者在实验室里处理这些极地生物会面临许多挑战，也是因此，这项工作从一个想法到文章发表用时超过 9 年。

东安格利亚大学的科学家们利用前沿基因组学技术和生物信息学技术对联合基因组研究所 (美国) 提供的原始基因进行了额外的研究。用来自于格兰特 1 号研究所提供的资金，马克 · 麦克马伦以及来自于他领导的技术开发团队的帕加宁博士使用了最新 PacBio 长读测序和和与之对应的集成装软件生成了一个新的集成基因组并将变异等位基因分配到不同的染色体上。

帕加宁博士说 :“ 这种类型的基因组被组装成染色体在东安格利亚大学还是第一次。这种技术被开发到能够应用于这样一个具有高度杂合的生物也是最近的事，并且得到的数据也确实表明在这些硅藻的基因中存在大量的等位基因变体。这结果有助于推动帮助生物去适应极地周围海洋中的极端环境是很重要的这样一个理念。多亏了东安格利亚大学测序技术和高性能计算的优势，使用我们能顺利组装基因组，并证明，原始基因组的评估是正确的。”

克拉克博士补充说 :“ 这是一个非常有趣的生物问题 , 用最新的技术使得它更容易被解决。使用长 DNA 测序和对应的组装方法组装成的一个基因的两个等位基因拷贝证明了非寻常基因组生物学在帮助这些物种能够在南极洲周围的南冰洋中成功的生存的具有必要性。”

这项工作也与生物产业相关联，它涉及到了一个能够在极端环境下繁殖的极端微生物，这可能是一个对工业相当重要的酶的潜在来源。

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