6月2日，生態(tài)與生物進(jìn)化領(lǐng)域國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature Ecology & Evolution（Nature子刊）在線發(fā)表了中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所葉乃好團(tuán)隊(duì)國際合作的新成果The role of zinc in the adaptive evolution of polar phytoplankton。該研究首次明確元素鋅是影響南北兩極海洋初級(jí)生產(chǎn)者適應(yīng)性進(jìn)化、多樣性形成與空間分布的關(guān)鍵因子之一，在驅(qū)動(dòng)極地海洋浮游植物物種形成與演化中發(fā)揮重要作用，也為評(píng)估氣候變化下浮游植物驅(qū)動(dòng)的全球海洋鋅循環(huán)演變趨勢(shì)提供支撐。

海洋浮游植物的適應(yīng)性進(jìn)化歷程及生物多樣性形成過程與地球海洋化學(xué)演變歷史戚戚相關(guān)。在海洋中，鋅是浮游植物必需的微量元素，支撐著DNA和RNA的復(fù)制與調(diào)節(jié)、光合作用和碳固定等關(guān)鍵基礎(chǔ)代謝過程。但鋅在海洋中的分布并不均衡，呈現(xiàn)兩極至赤道濃度逐漸降低的趨勢(shì)。浮游植物通過光合作用參與并驅(qū)動(dòng)的鋅生物地球化學(xué)循環(huán)是兩極鋅富集的重要因素。然而，這種極地鋅富集背后的生物學(xué)機(jī)制，以及高鋅需求在極地浮游植物生物多樣性形成及適應(yīng)性進(jìn)化中的作用機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)研究。

本研究綜合運(yùn)用進(jìn)化基因組學(xué)、宏組學(xué)、定量蛋白質(zhì)組學(xué)和細(xì)胞生理學(xué)等技術(shù)手段，從浮游植物模式物種到海洋原位調(diào)查，系統(tǒng)揭示了鋅驅(qū)動(dòng)的極地浮游植物適應(yīng)性進(jìn)化的機(jī)制。首次以極地最具代表性的且獨(dú)立進(jìn)化的三大類模式浮游植物物種為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)了極地硅藻、綠藻、甲藻基因組中同時(shí)存在鋅結(jié)合蛋白基因的擴(kuò)張現(xiàn)象，明確了該基因的平行進(jìn)化與鋅需求增加之間的正相關(guān)性，并揭示了鋅指調(diào)控蛋白的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了極地浮游植物在極地低溫和強(qiáng)烈的季節(jié)性光照條件下的光合適應(yīng)能力。

鋅結(jié)合蛋白基因在極地硅藻、綠藻、甲藻基因組中的擴(kuò)增

極地和非極地浮游植物中鋅指蛋白的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

團(tuán)隊(duì)通過跨兩極Sea of Change國際計(jì)劃，獲得大洋鋅元素分布、浮游植物群落構(gòu)成及宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩極海域浮游植物中鋅結(jié)合蛋白基因與光合固碳等基因表達(dá)與海水鋅濃度與溫度正相關(guān)，揭示了高鋅濃度需求是極地浮游植物適應(yīng)低溫環(huán)境的重要因素；通過自然海域浮游植物群落的宏基因組數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了極地浮游植物鋅結(jié)合基因的擴(kuò)增與進(jìn)化是其功能分化及環(huán)境適應(yīng)性的重要分子基礎(chǔ)。研究成果不僅明確了元素鋅在驅(qū)動(dòng)海洋浮游植物物種形成與適應(yīng)性進(jìn)化中的重要作用，也為評(píng)估氣候變化下全球海洋鋅循環(huán)演變趨勢(shì)提供理論依據(jù)。

基于真核浮游植物的宏轉(zhuǎn)錄組和宏基因組的鋅結(jié)合蛋白基因數(shù)與緯度以及表層海水中溶解鋅濃度的關(guān)系

黃海水產(chǎn)研究所葉乃好研究員為該論文的第一作者與通訊作者，碩士研究生韓文韜為并列第一作者；黃海水產(chǎn)研究所張曉雯研究員和英國東英吉利大學(xué)的Thomas Mock教授為文章的共同聯(lián)系作者。研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室山東省專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)、國家自然科學(xué)基金、國家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、山東省泰山學(xué)者特聘專家等項(xiàng)目的資助。

美國石溪大學(xué)的Crysten E. Blaby-Haas教授同日刊發(fā)了評(píng)論文章Polar algae flaunt their zinc assets，稱“葉乃好及其團(tuán)隊(duì)將多組學(xué)研究與地球化學(xué)和環(huán)境科學(xué)的時(shí)空解析相結(jié)合，為金屬輔因子研究開辟了令人興奮的新途徑，這將有助于我們進(jìn)一步揭示真核浮游植物復(fù)雜的進(jìn)化歷史，同時(shí)得以窺探和預(yù)測海洋生物的未來演化趨勢(shì)”。

相關(guān)鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41559-022-01750-x

https://www.nature.com/articles/s41559-022-01721-2