Международная группа исследователей определила генетические мутации, которые позволили микроводорослям (фитопланктону) из Южного океана адаптироваться к экстремальным и сильно изменчивым климатам - шаг к пониманию того, как изменение климата влияет на полярные организмы.
Группа под руководством профессора Томаса Мока из Школы наук об окружающей среде Университета Восточной Англии (UEA) исследовала эволюционную геномику полярной диатомовой водоросли Fragilariopsis cylindrus, которая эволюционировала, чтобы процветать в Южном океане, но также встречается в Арктический океан. Секвенирование генома проводилось в Объединенном институте генома Министерства энергетики США (Уолнат-Крик, США) и Институте Эрлхема (EI) (Норвич, Великобритания).
Как эволюционировал фитопланктон, чтобы справиться с полярными морскими условиями сильной сезонности, отрицательными температурами и длительными периодами темноты, было в значительной степени неизвестно. Последовательность генома Fragilariopsis cylindrus представляет собой первый полный геном полярного эукариота - «высшего» организма со сложными клетками.
Fragilariopsis cylindrus является ключевым видом, особенно в Южном океане, и процветает в морском льду, поддерживая одну из самых уникальных пищевых сетей на Земле, питаясь крилем, пингвинами, тюленями и китами.
Большая часть фитопланктона в Южном океане каждую зиму сталкивается с погружением в морской лед и снова высвобождается летом, когда тает большая часть морского льда. Такие виды, как Fragilariopsis cylindrus, развили приспособления, чтобы справиться с такими радикальными изменениями окружающей среды.
Исследователи обнаружили, что они делают это, изменяя свои аллели, чего раньше не было обнаружено ни у одного морского организма. Аллели - это вариантные формы гена, расположенные в одном и том же положении или генетическом локусе на хромосоме. Fragilariopsis cylindrus - диплоидный организм, потому что он имеет по два аллеля в каждом генетическом локусе.
Профессор Мок сказал: «Наше исследование показало, что почти четверть генома содержит аллельные варианты. Эти аллели по-разному экспрессировались в зависимости от важных условий окружающей среды, и мы нашли доказательства того, что эти условия вызывают аллельную дифференциацию. Численность популяции этой полярной диатомовой водоросли огромна, для каждого случая есть свой аллель, что, кажется, делает этот организм чрезвычайно адаптируемым к меняющимся условиям окружающей среды."
Исследование, опубликованное в журнале Nature, является важным шагом к пониманию того, как эволюционировали полярные организмы, чтобы справиться с чрезвычайно изменчивыми условиями окружающей среды, и, следовательно, их способности адаптироваться к изменениям окружающей среды, вызванным деятельностью человека. Ограниченные исследования полярных организмов проводятся из-за множества проблем, возникающих при работе в полярных регионах и при работе с этими организмами в лаборатории, и эта работа заняла более девяти лет с момента первоначальной идеи..
Ученые из EI использовали передовые технологии геномики и опыт биоинформатики для проведения дополнительных исследований оригинальной сборки генома, предоставленной Объединенным институтом генома (США). При финансировании из гранта Института развития1 д-р Марк Макмаллан, д-р Пирита Пааянен в группе д-ра Мэтта Кларка (разработка технологий) использовали новейшее программное обеспечение для секвенирования и сборки PacBio для создания новой сборки генома и назначения аллельных вариаций для разделения хромосомы.
Д-р Пааянен сказал: «В EI впервые геном такого типа был собран в хромосомы. показывают, что эта диатомовая водоросль действительно имеет большое количество вариаций в своих генах. Этот результат добавляет веса теории о том, что это важно, чтобы помочь организму справиться с экстремальными условиями в океане вокруг антарктического континента. Используя нашу сборку, мы показали, что первоначальная оценка генома была правильной, и смогли доказать это благодаря сильным сторонам EI в передовых технологиях секвенирования и высокопроизводительных вычислениях».
Д-р Кларк добавил: «Это был очень интересный биологический вопрос, который с помощью новейших технологий значительно упрощается. Использование длинных методов секвенирования ДНК и методов сборки для сборки обеих аллельных копий гена помогло продемонстрировать необычную биологию генома. необходимо, чтобы этот вид преуспел в Южном океане, окружающем антарктический континент».
Работа также имеет отношение к биотехнологической промышленности, которая проявляет интерес к экстремофилам - организмам, которые процветают в экстремальных условиях и являются потенциально ценным источником промышленно важных ферментов.