厦门大学海洋与地球学院

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我院林森杰教授课题组在Science杂志发表论文
MEL MEL 2015/11/9 4179 返回上页

11月6日,国际顶尖期刊Science发表我实验室林森杰教授课题组的最新研究成果—“The Symbiodinium kawagutiigenome illuminates dinoflagellate gene expression and coral symbiosis”。该成果以虫黄藻作为模式生物,通过基因组测序,在国际上首次系统完整地分析了甲藻基因组的结构特性,描绘了珊瑚虫和虫黄藻共生过程中相互作用的分子机制,为今后甲藻基因组学和珊瑚-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。这一研究成果不但填补了国内空白,且处于国际领先水平。

论文的第一作者暨通讯作者林森杰教授长期从事甲藻及其他浮游生物分子生态学和功能基因组学研究,是中央“千人计划”项目第三批入选者。2010年加盟厦门大学后,依托近海海洋环境科学国家重点实验室,立足生态基因组学这一国际前沿领域,主持了国家自然科学基金委重点项目等课题,探索前瞻性研究领域;发挥学科领军人才作用,重视培养青年人的科研兴趣和创新意识,带领海洋分子生态学和分子生物海洋学学科的团队建设,并组建了厦门大学海洋生物多样性与全球变化研究中心,提升学科在国内外的学术影响力和竞争力。

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。许多甲藻在近海形成赤潮并产生毒素,对沿海环境,经济和人类健康造成了深远的影响。其生态习性多样,大约有50%的甲藻是光合自养型,其它是异养型。其中许多表观上是光合自养型的,实际上是混合营养型,还有些家族是专营寄生。在系统发育上,甲藻与贝类寄生虫帕金氏虫(perkinsids),疟疾治病寄生虫等的顶覆类(Apicomplexa) 和纤毛虫为最近亲属。甲藻具备丰富的形态多样性,从拥有坚实甲壳的类群,到甲壳不发达的类群,再到无甲壳的裸甲藻类群。同时甲藻在细胞生物学,进化和基因组学上都拥有非常“不寻常”的特性。 然而至今对调控这些不寻常特征及对不同环境的很强的适应能力背后的分子遗传机制所知甚少。

珊瑚礁一直是热带海洋及亚热带海洋中最重要的生态系统。大约25%的海洋物种,包括鱼类、两栖类、软体动物、甲壳动物、鸟类和哺乳动物等栖息于珊瑚礁生态系统,与周围贫营养的热带水体形成鲜明对比。珊瑚礁丰富的生态系统全部依赖于造礁珊瑚虫细胞内共生甲藻经光合固碳作用贡献的初级生产力。在互惠互利的珊瑚-甲藻共生生态系统中,营养元素在共生体系内循环,共生藻产生的初级生产力成为珊瑚生长及成礁的基础,因此珊瑚-虫黄藻共生体系不仅是形成珊瑚礁这一地球上虽然营养盐贫乏却生物多样性最高的海洋生态系统的基础,也是全球碳循环的重要组成部分。

全球变暖与海洋酸化对珊瑚礁的生态系统产生了严重威胁,导致珊瑚失去共生藻或光合色素而变白, 最终因失去营养供应而导致珊瑚礁生态系统崩溃,这种现象被称为“珊瑚白化”, 初步估算,与20世纪50年代相比,我国珊瑚礁面积减少约80%,处于健康和非健康状态的各占50%(国家海洋信息中心 2012)。如果珊瑚礁大量减少或完全灭绝,将引发食物链的一系列连锁反应,从而改变海洋的生态结构。因此,研究珊瑚-虫黄藻的共生关系怎样建立,以及这种关系在环境胁迫下如何失衡和可能的修复,在国际上是很久以来亟需解决却因技术条件等种种限制而没有解决的科学问题,对此问题的深入研究对保护珊瑚礁系统的多样性及生态平衡,将起到至关重要的作用。

对甲藻分子遗传机制了解的贫乏和其复杂性有关。比如甲藻叶绿体源自一个极其复杂的内共生进化史;虽仅是单细胞生物,它却拥有巨大且多样的基因组(11-2450亿个碱基对),相当于人类单倍体基因组的1-80倍。虽然过去10多年基因组测序及研究日新月异,推动了生物学革命性的发展,对如此庞大的甲藻基因组仍然束手无策,给甲藻生物学进展带来很大障碍。这篇论文标志着技术的进步正使这样的研究已成可能,而且未来更深入的研究有了很好的基础。

Abstract: Dinoflagellates are important components of marine ecosystems and essential coral symbionts, yet little is known about their genomes. We report here on the analysis of a high-quality assembly from the 1180-megabase genome of Symbiodinium kawagutii. We annotated protein-coding genes and identified Symbiodinium-specific gene families. No whole-genome duplication was observed, but instead we found active (retro) transposition and gene family expansion, especially in processes important for successful symbiosis with corals. We also documented genes potentially governing sexual reproduction and cyst formation, novel promoter elements, and a microRNA system potentially regulating gene expression in both symbiont and coral. We found biochemical complementarity between genomes of S. kawagutii and the anthozoan Acropora, indicative of host-symbiont coevolution, providing a resource for studying the molecular basis and evolution of coral symbiosis.

Reference: S. Lin, S. Cheng, B. Song, X. Zhong, X. Lin, W. Li, L. Li, Y. Zhang, H. Zhang, Z. Ji, M. Cai, Y. Zhuang, X. Shi, L. Lin, L. Wang, Z. Wang, X. Liu, S. Yu, P. Zeng, H. Hao, Q. Zou, C. Chen, Y. Li, Y. Wang, C. Xu, S. Meng, X. Xu, J. Wang, H. Yang, D. A. Campbell, N. R. Sturm, S. Dagenais-Bellefeuille, D. Morse. The Symbiodinium kawagutii genome illuminates dinoflagellate gene expression and coral symbiosis. Science, 2015; 350 (6261): 691 DOI: 10.1126/science.aad0408

Link to full text: http://www.sciencemag.org/content/350/6261/691.full.