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        合作文章COOPERATION ARTICLE

        比較基因組學揭示藍藻環境適應機制研究型文章見刊ISME??!

        來源:admin    發布時間:2020-09-21   閱讀數:685

        金秋九月,美格基因高分項目文章再次喜獲佳訊!由中國科學院水生生物研究所宋立榮研究員課題組、暨南大學生命科學技術學院韓博平教授課題組、華南師范大學生命科學學院束文圣教授課題組聯合研究的研究成果在《The ISME Journal》雜志上發表,華南師范大學青年研究員陳夢云博士為論文的第一作者。熱烈祝賀三位老師及其研究團隊!此項研究通過比較基因組的方式深入探討了藍藻適應不同環境時基因組層面的差異,拓展了對藍藻適應不同環境的機制認識,下面分享文章的新鮮解讀!


        Comparative genomics reveals insights into cyanobacterial evolution and habitat adaptation

        比較基因組學揭示藍藻環境適應機制


        美格基因項目文章|比較基因組學揭示藍藻環境適應機制研究型文章見刊ISME??!


        作者:Meng-Yun Chen1 , Wen-Kai Teng2 , Liang Zhao1 , Chun-Xiang Hu3 , Yang-Kai Zhou4 , Bo-Ping Han5*, Li-Rong Song3*, Wen-Sheng Shu1*

        期刊:ISME

        時間:2020.9.17

        影響因子:9.18

        DOI:https://doi.org/10.1038/s41396-020-00775-z


        一、文章摘要

        藍藻是光合原核生物,可生存在不同的水生和陸地環境中,是地球上重要的初級生產者,但目前對它適應環境的進化機制知之甚少。在本文中,作者基于650個藍藻基因組進行遺傳進化與比較分析來研究藍藻適應不同環境(海洋、淡水和陸地)的遺傳機制。研究發現基因家族擴張是陸地藍藻適應環境變化的普遍策略,而大多數海洋藍藻以基因家族收縮來適應海洋環境的營養不足。同時發現數百種基因與特定環境顯著相關,如光感應、滲透壓調節和營養物質運輸相關的基因在不同環境的藍藻基因組中豐度差異明顯。并且水平基因轉移(HGT)是藍藻獲取適應不同環境的功能基因的重要來源。綜上所述,本研究拓展了對藍藻適應不同環境的機制認識,同時肯定了環境對藍藻基因組演化的影響。


        二、主要內容

        1.環境影響藍藻基因組特性

        本研究對163種藍藻進行測序并組裝獲得基因組,同時從NCBI下載了727個藍藻基因組,經過質控后保留650個高質量的藍藻基因組構建系統進化樹,并且以不同的顏色標注了對應的環境信息,包括海洋、淡水、陸地、熱泉和宿主寄生(圖1)。經過篩選最終使用99個海洋藍藻基因組、184個淡水藍藻基因組和127個陸地藍藻基因組進行比較基因組分析,發現陸地藍藻基因組平均長度大于海洋和淡水的藍藻基因組,而海洋藍藻基因組是最小的(圖2.a),可推測基因組大小與環境復雜度存在一定的相關性。


        藍藻進化樹圖
        圖1. 藍藻基因組系統進化樹


        基于KEGG數據庫中的22個重要功能分類進行富集分析,發現與海洋和淡水藍藻相比,陸地藍藻基因組中功能基因顯著富集(圖2.b),例如與細胞調控、物質運輸和細胞運動相關的基因家族明顯擴張。而與海洋藍藻相比,淡水藍藻的基因功能類別有明顯富集,但與陸地藍藻相比,淡水藍藻的基因富集情況則不明顯,這一結果暗示基因功能的富集程度也與環境復雜度存在一定的相關性。


        藍藻環境適應機制研究對比圖
        圖2.海洋、淡水和陸地藍藻比較基因組分析。a:基因組大小比較;b:22種功能基因富集分析。


        2.數百種基因與藍藻適應環境緊密相關

        藍藻可將光能轉化成化學能,因此藍藻對不同環境的光感知和反應非常重要。趨光性有利于藍藻找到最佳的光照條件,已有報道pixJ可編碼含有光感應區域的蛋白,因此推測pixJ是藍藻與趨光性相關的重要基因。而富集分析結果顯示,與海洋和淡水藍藻相比陸地藍藻基因組中的pixJ基因顯著富集(圖3.a),說明pixJ基因的存在利于陸地藍藻移動來尋找最佳光照條件。

        對于藍藻來說,除了光感應以外,還有其他因素可影響其適應不同的環境,如營養條件、溫度和鹽濃度等因素。藍藻可利用滲透物質來調節在海洋環境中滲透壓,因此與滲透壓相關的基因在海洋藍藻基因組中顯著富集(圖3.b),除此之外yrbG基因、sodN基因和sod2基因也均在海洋藍藻基因組中富集 。雖然淡水藍藻基因組平均長度大于海洋藍藻,但在淡水藍藻基因組中顯著富集的基因數量遠小于海洋藍藻,同時作者發現雙向氫化酶與藍藻適應淡水環境息息相關(圖3.c)。陸地生態系統中如溫度、水和營養物質等環境因素變化十分劇烈,環境選擇壓力直接影響在此生境中的微生物。因此為了適應多變的環境,陸地藍藻基因組的多種功能基因出現顯著富集,如化感調節基因、各類轉運蛋白相關基因和與代謝相關基因等(圖3.d),以適應陸地的復雜情況。


        美格基因項目文章|比較基因組學藍藻環境適應機制研究型文章研究圖
        圖3.與藍藻適應環境緊密相關的基因。a:陸地光感應基因富集;b:海洋藍藻調節滲透壓相關基因富集;c:淡水藍藻氫化酶基因富集;d:陸地化感調節基因富集。


        3.HGT在藍藻適應環境中的作用

        在細菌基因組進化中,HGT是一種常見而重要的影響方式。在本研究中使用基于BLAST的方式在519個藍藻基因組中共檢測117938個HGT事件,而在不同的藍藻基因組中監測到的HGT事件數量差異較大,從9個至1064個不等(圖4.a)。將來自不同生存環境的藍藻基因組的HGT事件進行比較分析,分析發現與宿主關聯的藍藻基因組上出現HGT的頻率最高,與過往研究結果一致,推測是為了適應宿主的表現。值得注意的是,陸地藍藻基因組上出現HGT的頻率明顯高于海洋和淡水藍藻(圖4.b)。結合KEGG注釋分析出現HGT的基因功能,發現51.2%的基因與代謝功能相關和14.1%的基因與環境信息感應相關,這與“復雜性假說”一致,基礎功能基因發生HGT的可能性低于代謝功能基因。

        綜上所述,本研究結果表明通過獲得和維持外源基因來形成適應性優勢是藍藻適應不同的生存環境的重要途徑。


        美格基因項目文章|比較基因組學揭示藍藻環境適應機制研究型文章圖集
        圖4.藍藻基因組HGT事件分析。a:不同生存環境的藍藻基因組上的HGT分布;b:不同生存環境的藍藻基因組上的HGT統計。


        三、總 結

        本研究通過比較基因組的方式深入了解了藍藻適應不同環境時基因組的差異,揭示了其中的適應機制和方式。




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