保守遗传标记揭示全球海洋中硅藻有性繁殖的广泛存在

《Nature Communications》：Conserved genetic markers reveal widespread diatom sexual reproduction in the global ocean

本研究针对海洋微真核生物有性繁殖事件难以直接观测的难题，通过整合四种硅藻的性转录组数据，开发了一套保守的分子标记基因（M1-M4、SIG1、DNAH9/11/17、DNAH5/8、DRC4），并结合宏转录组与宏基因组组装基因组（MAGs）分析，首次在全球尺度上系统揭示了硅藻有性繁殖的广泛性和时空分布规律。该研究不仅证实了有性繁殖在优势藻华物种中的发生，还发现稀有类群同样存在性活动，为理解硅藻种群适应性与进化机制提供了关键工具和理论支撑。

　　

硅藻作为海洋和淡水生态系统中至关重要的浮游植物类群，其独特的细胞尺寸缩减-恢复生命周期依赖于有性繁殖。然而，由于性阶段持续时间短（数小时至数天）且难以通过传统显微镜观察，自然环境中硅藻有性繁殖的直接证据极为有限。尽管细胞尺寸分布分析、种群遗传学研究及宏转录组数据间接提示性事件的存在，但其全球分布规律、环境调控机制及稀有类群的参与程度仍不明确。

为解决这一难题，研究团队整合了四种代表性硅藻（包括中心纲物种Skeletonema marinoi和羽纹纲物种Pseudo-nitzschia multistriata、Seminavis robusta、Cylindrotheca closterium）的性转录组数据，通过比较转录组学筛选出8个保守的性特异标记基因。这些标记包括跨中心纲和羽纹纲硅藻保守的SIG7（M3）、羽纹纲特异的M1（tubby-like蛋白）、M2（跨膜凝集素样蛋白）和M4（未知功能跨膜蛋白），以及中心纲精子形成相关的鞭毛标记基因（SIG1、DNAH9/11/17、DNAH5/8、DRC4）。标记基因在硅藻特异性基因家族中形成单拷贝直系同源簇，且序列变异足以实现物种级分辨率。

为验证标记的实用性，研究团队在比利时斯海尔德河口（Scheldt estuary）的硅藻水华期间开展微宇宙实验，通过盐度骤升（10 ppt）成功诱导了优势属Cyclotella的有性繁殖。宏转录组分析显示，标记基因在盐处理24小时后显著上调，与显微镜观察到的精子形成和受精现象一致。系统发育分析进一步揭示，除高丰度的Cyclotella scaldensis外，稀有物种（如Thalassiosira allenii/angulata和Conticribra sp.）也同步表达多个性标记，表明有性繁殖在低丰度类群中同样活跃。

基于塔拉海洋（Tara Oceans） expedition 的宏转录组与MAGs数据，研究团队在全球54个站点中检测到9个硅藻属（如Chaetoceros、Fragilariopsis、Pseudo-nitzschia等）的性标记共表达信号。性活动呈现明显的生物地理格局：冷水区域（如北极海）的Chaetoceros和Skeletonema全年均存在性信号，而热带太平洋则是Pseudo-nitzschia的性繁殖热点。自动化成像流式细胞术（IFCB）数据在相应站点捕获到精子细胞和复大孢子的存在，为分子发现提供了独立验证。

关键实验方法概述

研究通过实验室可控性转录组实验筛选保守标记；利用斯海尔德河口微宇宙实验验证标记敏感性；整合塔拉海洋 expedition 的宏转录组与MAGs数据进行全球尺度分析；结合成像流式细胞术（IFCB）和18S rDNA宏条形码（metabarcoding）验证性阶段与物种丰度；采用系统发育分析确保标记基因的物种特异性注释。

研究结果

1. 有性繁殖期间的保守转录活动

四种硅藻在有性繁殖阶段均出现大量差异表达基因（1746-8557个），上调基因涉及DNA复制、减数分裂（如SPO11-2）及保守信号模块（如Deltex E3泛素连接酶）。中心纲与羽纹纲硅藻虽演化分歧约1.5亿年且交配策略迥异，但其性转录程序显著正相关（Pearson相关系数0-0.5），表明存在核心保守调控网络。

2. 八个性特异转录组标记的鉴定

通过跨物种保守性、表达特异性（在S. robusta表达图谱119个非性样本中无背景表达）及系统发育分析，最终选定M1-M4和四个鞭毛标记基因。M3（SIG7）为全硅藻类群共有，而M1、M2、M4为羽纹纲特有，鞭毛标记专用于中心纲精子形成检测。

3. 河口硅藻水华期间的广泛性潜力

盐度处理诱导Cyclotella scaldensis同步发生减数分裂和复大孢子形成，其性标记表达峰值出现在24小时。系统发育分析显示四种Thalassiosirales物种（包括丰度仅0.1%的稀有类群）共表达至少三个性标记，证明盐度可作为环境触发器同步多物种性繁殖。

4. 全球海洋中硅藻有性繁殖的广泛性

在38%的塔拉海洋站点中，46%的硅藻MAGs表现出性标记共表达（SPO11-2与至少两个性标记）。性信号与种群丰度正相关（如Chaetoceros），但稀有属（如Minidiscus、Leptocylindrus）在低丰度（<1%）下仍检测到性活动，挑战了“性繁殖仅发生于高密度水华”的传统认知。

结论与意义

本研究开发的性标记基因面板首次实现了自然环境中硅藻有性繁殖的高分辨率、跨物种检测。研究发现性繁殖在全球海洋中广泛存在，且受种群密度、内源性调控（如细胞尺寸阈值）和环境因子（如盐度、营养盐）共同驱动。性事件的普遍性有助于维持硅藻种群遗传多样性，避免 bloom（藻华）期间的遗传瓶颈，从而提升其对环境变化的适应性。该工具为后续探索硅藻生活史策略、有害藻华防控及海洋碳循环的生态演化机制提供了关键技术支持。