海洋微微型真核藻类昼夜节律与光感应基因的纬度多样性研究及其生态适应性意义

《The ISME Journal》：Latitudinal Diversity in Circadian and Light-Sensing Genes in an Ecologically Vital Group of Marine Picoeukaryote Algae

本研究针对海洋浮游植物如何适应不同纬度光周期变化这一关键科学问题，通过对海洋微微型真核藻类Mamiellales七个物种的基因组和全球海洋宏基因组数据进行分析，揭示了昼夜节律钟和光感应基因的纬度分布规律。研究发现低纬度物种Ostreococcus sp. RCC809的TOC1/CCA1振荡器功能丧失，表明在光周期变化较小的热带水域，完整昼夜节律钟可能非必需。该研究为理解浮游植物纬度适应性提供了分子进化新视角。

　　

在广袤的海洋中，微小的浮游植物承担着与陆地植物相当的初级生产力，它们从极地到赤道遍布各纬度海域。随着地球自转和公转，日照长度随纬度变化而产生显著差异，特别是温带和极地地区的光周期变化尤为剧烈。这种光周期变化如何影响海洋浮游植物的生命活动？它们是否像陆地植物一样拥有精密的光周期感应机制？这些问题一直是海洋微生物生态学研究的热点。

以往研究主要集中在模型生物Ostreococcus tauri上，该物种被揭示拥有相对简单的绿色谱系昼夜节律系统。其核心振荡器由Timing of CAB Expression 1 (TOC1) 和Circadian Clock Associated 1 (CCA1) 组成，通过转录-翻译反馈环路调控生理节律。然而，对于其他Mamiellales物种，特别是分布在不同纬度的物种，其昼夜节律系统和光感应机制是否存在适应性差异，仍然是个未解之谜。

发表在《The ISME Journal》上的这项研究，通过比较基因组学、宏基因组学和功能实验相结合的方法，系统揭示了Mamiellales藻类昼夜节律和光感应基因的纬度多样性模式。研究人员分析了七个Mamiellales物种的基因组，包括Ostreococcus、Bathycoccus和Micromonas三个属，结合Tara Oceans和Tara Oceans Polar Circle项目的全球海洋宏基因组和宏转录组数据，探究了这些基因在海洋中的分布和表达规律。

关键技术方法包括：基因组比较分析（使用BLASTP和PROSITE工具进行同源基因鉴定）、系统发育分析（采用最大似然法构建进化树）、环境宏基因组/宏转录组分析（基于Tara Oceans项目的295个样本）、基因功能验证（通过荧光素酶报告基因系统检测昼夜节律）。

保守和菌株特异性基因 across Mamiellales

研究发现所有研究的Mamiellales物种共享13个核心基因，包括5个光感受器（CRY1、CRY DASH、Phototropin、LOV-HK、Rhod-HK）、组氨酸磷酸转移蛋白（HPT）、核心时钟基因CCA1以及三个假定的响应调节器。同时，研究也发现了谱系特异性的基因丢失和基因家族扩张现象。例如，M. pusilla独特编码了一个光敏色素（PHY），这是一种在植物中感知红光和远红光的 photoreceptor。

Mamiellales中CCT结构域的多样化

CCT结构域超家族的进化分析揭示了两个主要分支：TOC1和COL/CMF。研究发现Ostreococcus sp. RCC809的TOC1序列表现出最高的分歧度，其CCT结构域被截短，仅保留前12个氨基酸。通过Sanger测序验证了这一截短的真实性。COL/CMF蛋白的分化具有属特异性，Ostreococcus物种和M. commoda含有三个COL拷贝，而B. prasinos则拥有三个CMF样蛋白。

Mamiellales中光感受器复制的多样性

隐花色素是普遍存在的蓝光光感受器，在O. tauri中已鉴定出三种类型。虽然CRY DASH和CRY1在所有Mamiellales中都存在，但CRY3仅在部分物种中检测到，而Micromonas物种还具有一个额外的植物隐花色素（CRY4）。绿光光感受器Rhod-HK的进化分析显示存在两个分支，反映了Mamiellales的系统发育关系，表明Rhod-HK复制事件发生在Micromonas分化之后。

Mamiellales昼夜节律相关基因的地理分布和调控差异

通过分析全球海洋样本，研究发现B. prasinos在极地、温带和南部纬度均有分布，而M. commoda和Ostreococcus sp. RCC809则局限于低纬度区域。目标基因在所有通过四倍基因组深度过滤的宏基因组样本中均存在，表明基因缺失与地理位置无关。基因共表达分析显示，不同物种间存在差异化的共表达模式，这些差异模式似乎受到生态和环境因素的影响，而不仅仅是系统发育相关性或地理分布。

低纬度Mamiellales Ostreococcus sp. RCC809中TOC1/CCA1昼夜节律振荡器的功能丧失

研究发现TOC1基因在Mamiellales中表现出显著的变异性。Ostreococcus sp. RCC809的TOC1基因中CCT结构域被截短，且其启动子中缺乏保守的傍晚元件（Evening Element）。通过荧光素酶报告基因实验证实，Ostreococcus sp. RCC809中TOC1/CCA1负反馈环路功能丧失。虽然TOC1表达的昼夜控制仍然完整，但其昼夜节律控制已经丧失。

研究结论与意义

这项研究揭示了Mamiellales藻类在光感知和时间测量机制方面的惊人多样性。研究表明，栖息在低纬度的物种，如Ostreococcus sp. RCC809和M. commoda，由于全年日长和温度相对恒定，可能不需要完全功能的TOC1/CCA1昼夜节律振荡器来调整其生理机能以适应光周期变化。这一发现与蓝藻Prochlorococcus中缺乏核心时钟组件KaiA但仍保留时间保持机制的模式类似。相反，栖息在温带和极地区域的生物，如B. prasinos、O. tauri等，可能依赖完全功能的生物钟来适应一年中变化的光周期。

该研究为理解全球性浮游生物群体的分子进化，特别是其局部适应机制提供了宝贵见解。CCT结构域蛋白的多样性，如TOC1复制或B. prasinos中CONSTANS的B-box结构域丢失，可能对纬度适应至关重要，这与栽培植物中观察到的适应模式相似。未来对 cosmopolitan 物种Bathycoccus prasinos自然变体的生理和基因组分析，将有助于进一步验证这些假设。

研究还提出，Mamiellales中的生物钟可能基于一个双组分系统，将光信号整合到TOC1/CCA1中央振荡器中。类似于植物中的CONSTANS/DOF型光周期基因，可能调控对光周期的下游响应，这种响应随纬度和季节而变化。这些发现为理解海洋浮游植物如何适应不同光周期环境提供了新的理论基础，对预测气候变化背景下海洋生态系统响应具有重要意义。