Диатомовые водоросли являются распространенным типом фотосинтезирующих микроорганизмов, встречающихся во многих средах, от морских до почвенных; в океанах они несут ответственность за более чем треть глобального океанического углерода, улавливаемого в процессе фотосинтеза. Это приводит к тому, что значительное количество секвестрированного углерода оказывается в отложениях на дне океана. Как в пресноводных, так и в морских экосистемах основу пищевой сети составляет разнообразное сообщество фитопланктона, включающее диатомовые водоросли, которые могут процветать в широком диапазоне температур. В Южном или Антарктическом океане в сообществах фитопланктона преобладают большие популяции диатомовых водорослей Fragillariopsis cylindrus.
Чтобы узнать больше о том, как F. cylindrus адаптировался к чрезвычайно холодным условиям, группа ученых из Университета Восточной Англии (UEA) в Норвиче, Англия, провела сравнительный геномный анализ с участием трех диатомовых водорослей, используя опыт из США. Объединенный институт генома Департамента энергетики (DOE JGI), который провел все секвенирование и аннотацию. Результаты, опубликованные 16 января 2017 года в журнале Nature, позволили получить представление о структуре генома и эволюции F. cylindrus, а также о роли этой диатомовой водоросли в Южном океане. Особый интерес представляло то, что F. cylindrus, который является диплоидным (у него есть две копии каждой хромосомы, таким образом, две версии каждого гена), может избирательно экспрессировать вариант, который лучше всего подходит для того, чтобы помочь ему справиться с окружающей средой. Это обеспечивает дополнительную геномную устойчивость организма по мере изменения окружающей среды.
«Многие виды, включая фитопланктон, являются эндемиками Южного океана», - сказал Томас Мок из UEA, который руководил исследованием. «Они эволюционировали в течение миллионов лет, чтобы быть в состоянии справиться с этой экстремальной и очень изменчивой средой. Как они это сделали, в значительной степени неизвестно. Таким образом, наши данные дают первое представление о том, как эти ключевые организмы лежат в основе одной из крупнейших и уникальных морских экосистем на Земле. Земля эволюционировала."
Чтобы процветать в Южном океане, F. cylindrus должен реагировать на широкий спектр условий, включая темноту, замерзание и оттаивание, а также различные уровни углекислого газа и железа. Например, как и многие виды фитопланктона, F. cylindrus застревает в морском льду зимой и освобождается летом, когда большая часть морского льда тает.
Геном F. cylindrus из 60 миллионов пар оснований (Megabase или Mb) был секвенирован в рамках программы DOE JGI 2007 Community Science Program. Первоначальная версия сборки генома была доступна к 2010 году, для анализа генома потребовалось еще шесть лет и несколько групп, включая геномистов и популяционных генетиков. Для сравнительного анализа его геном сравнивали с геномом диатомовых водорослей Thalassiosira pseudonanana и Phaeodactylum tricornutum, которые обитают в океанах умеренного пояса с более высокими концентрациями растворенного железа. Эти геномы диатомовых водорослей ранее были опубликованы JGI Министерства энергетики.
Анализ показал, что почти четверть генома F. cylindrus содержит сильно отличающиеся аллели, копии тех же генов, что и у других диатомовых водорослей, но которые разошлись в результате накопления мутаций. Команда обнаружила, что это аллельное расхождение, по-видимому, совпадает с последним ледниковым периодом, который начался около 110 000 лет назад. «Было удивительно обнаружить, что разные аллели одних и тех же генов расходятся и эволюционируют, реагируя на различные факторы окружающей среды», - сказал Игорь Григорьев, руководитель отдела геномики грибов JGI Министерства энергетики США и старший автор исследования.
Мок отметил, что команда также обнаружила много генов, «уникальных» для F. cylindrus, таких как белки, связывающие лед, и родопсин. Он добавил, что они наблюдали много белков с доменами цинка из-за высокой концентрации цинка в Южном океане, который не был обнаружен ни в одном другом геноме фитопланктона. Семейство белков, связывающих цинк, расширилось за последние 30 миллионов лет.
«Обнаружение того, что популяция F. cylindrus сохраняет и поддерживает обширную изменчивость, чтобы обеспечить адаптивную способность популяции в суровых условиях окружающей среды, имеет широкие последствия для нашего понимания естественных популяций к изменяющимся условиям окружающей среды», - сказал Джереми Шмутц., руководитель программы растений Министерства энергетики JGI и соавтор исследования. «На уровне индивидуального генотипа наблюдаемое переключение экспрессии с одной гаплотипической копии гена на другую гаплотипическую копию при изменяющихся условиях демонстрирует сложность механизмов выживания, присутствующих в природе, для преобразования доступных геномных вариаций и содержимого в реакцию на окружающую среду. Для большинства диплоидных эукариотических организмов мы сочли отдельные гаплотипы в значительной степени избыточными и создали единую ссылку на гаплотип, но в случае F. cylindrus оказалось, что основные различия в двух гаплотипах жизненно важны для выживания и адаптации вида. и могут содержать изменения в нормативном содержании. Это, вероятно, изменит то, как сообщество применяет геномные методы и анализы к эукариотическим видам, обитающим в океане».