系统发育基因组学揭示地中海索湖冬季水华新物种——微绿球藻（Picochlorum tauri）的代谢潜能及其生态意义

本综述通过多组学方法揭示了地中海索湖（Thau Lagoon）冬季水华的优势物种为绿藻门（Chlorophyta）特布吕藻纲（Trebouxiophyceae）的新种——微绿球藻（Picochlorum tauri）。研究整合了宏条形码（metabarcoding）、流式细胞术和比较基因组学分析，系统阐释了该藻在低温、低光照条件下的碳浓缩机制（CCM）、维生素（B12等）自主合成及叶绿素代谢通路特征，为理解微型真核浮游植物（PPE）的生态适应性与水华形成机制提供了新视角。

　　

引言

地中海索湖作为法国最大的沿海泻湖之一，在2018-2019年冬季经历了前所未有的绿色藻华，对当地贝类养殖业造成严重生态影响。本研究通过多学科方法鉴定优势藻种并解析其代谢特性，发现该藻属于绿藻门特布吕藻纲的微绿球藻属（Picochlorum），并将其命名为Picochlorum tauri（简称P. tauri）。通过比较基因组学分析，揭示了该藻在碳代谢、维生素合成及叶绿素生物合成方面的特异性，这些特性可能助其在低温、低光照条件下形成并维持水华。

方法

藻株分离与分子鉴定

从索湖布齐格（Bouzigues）站点表层水样中分离得到纯培养藻株，通过形态观察和18S rDNA序列分析进行鉴定。使用改良f/2培养基（PiF培养基）进行无菌培养，并评估外源维生素（B1、B7、B12）对生长的影响。

叶绿素a监测与流式细胞术

通过PHYTOBS监测网络定期采集水样，使用分光光度法测定叶绿素a（Chla）浓度，并通过流式细胞术区分光合微型真核生物（PPE）和富phycoerythrin的picocyanobacteria（PE-CYAN）。

环境宏条形码测序

采集2018年12月至2019年2月的水样，提取DNA并扩增18S rRNA基因V4区，使用Illumina MiSeq平台进行测序。通过dada2流程处理序列，使用PR2数据库进行物种注释。

基因组测序与组装

结合Illumina短读长和PacBio长读长测序技术，完成P. tauri的核基因组、叶绿体基因组（ptDNA）和线粒体基因组（mtDNA）的高质量组装。使用Braker2和Maker2进行基因注释，并通过OrthoFinder进行直系同源群（OG）分析。

结果

冬季藻华物种鉴定

Chla浓度在2018年12月达到峰值26.3 μg·L^?1，流式细胞术和显微观察显示优势物种为直径1.5–3 μm的绿色球状藻类。宏条形码分析表明，绿藻门（Chlorophyta）序列在藻华高峰期占比达67%，其中微绿球藻属（Picochlorum）占主导地位（63%）。分离得到的藻株通过18S rDNA系统发育分析确认为新种，命名为P. tauri。

新种描述

P. tauri为单细胞球状藻，直径1.5–3 μm，含单个叶绿体和线粒体，无鞭毛和蛋白核（pyrenoid），通过自体孢子繁殖。基因组大小13.6 Mb，编码6636个蛋白质基因。该藻无需外源维生素即可生长，与其它微绿球藻物种在遗传上存在显著差异。

基因组特征与比较分析

P. tauri的ptDNA（74,276 bp）和mtDNA（35,605 bp）均较其他特布吕藻纲物种更紧凑，但基因含量相似。核基因组分析显示，微绿球藻属物种具有基因组精简趋势，丢失了部分代谢相关基因（如乙醛酸循环的MS和ICL），但保留了完整的碳浓缩机制（CCM）相关基因。

碳代谢特异性

P. tauri拥有扩展的CCM基因 repertoire，包括PEPC、ME、PCK以及多个碳酸酐酶（CA）基因。与其它光合微型真核生物（如Mamiellophyceae）相比，P. tauri缺乏PFO和PFL等厌氧乙酰辅酶A合成途径，但具有独特的丙酰辅酶A羧化途径（依赖维生素B₁₂），可将丙酰辅酶A转化为琥珀酰辅酶A，避免碳损失并增强能量守恒。

维生素与叶绿素合成

基因组挖掘显示，P. tauri具有完整的维生素B1、B7和B12合成途径，而其他PPE（如Mamiellophyceae）通常缺乏部分维生素合成能力。此外，该藻同时拥有光依赖型（L-POR）和光独立型（D-POR）原叶绿素酸酯氧化还原酶，使其在低光照条件下仍能高效合成叶绿素。

讨论

本研究首次报道了微绿球藻属在冬季地中海泻湖中的水华事件，并通过比较基因组学揭示了其独特的代谢适应性。P. tauri的精简基因组保留了核心代谢功能，扩展的CCM机制、维生素自主合成能力及双模式叶绿素合成通路，共同助其在低温、低光照条件下占据生态优势。该研究为理解微型真核浮游植物的环境适应机制提供了新见解，并凸显了基因组精简与功能特化在生态成功中的重要作用。