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硅藻是一种常见的光合微生物，存在于从海洋到土壤的许多环境中; 在海洋中，它们是光合作用过程中捕获的全球海洋碳的三分之一以上的原因。这导致大量的隔离碳结束在海底的沉积物中。在淡水和海洋生态系统中，食物网的基础由不同的浮游植物群组成，其中包括能够在各种温度下茁壮成长的硅藻。在南部或南极海洋中，特定硅藻(Fragilariopsis cylindrus)的大量种群主导着浮游植物群落。
为了解更多关于F. cylindrus如何适应其极寒的环境，由英国诺里奇的东英吉利大学(UEA)科学家领导的一个团队通过利用美国能源部联合基因组的专业知识，对三种硅藻进行了比较基因组分析。研究所(DOE JGI)负责所有测序和注释。结果于2017 年1月16日在线发表在“ 自然 ”杂志上，提供了对圆柱花序的基因组结构和进化的见解，以及硅藻在南大洋中的作用。特别感兴趣的是F. cylindrus，它是二倍体(每个染色体有两个拷贝，因此每个基因的两个版本)可以选择性地表达最适合帮助它处理环境的变体。随着环境的变化，这为生物体提供了额外的基因组根系恢复力。
“包括浮游植物在内的许多物种都是南大洋的特有物种，”领导这项研究的东英吉利大学的托马斯莫克说。“他们已经发展了数百万年，能够应对这种极端变化的环境。他们如何做到这一点在很大程 因此，我们的数据提供了关于支撑地球上最大和独特的海洋生态系统之一的这些关键生物如何进化的初步见解。“
为了在南大洋茁壮成长，F. cylindrus必须对各种条件做出反应，包括黑暗，冷冻和解冻温度，以及不同水平的二氧化碳和铁。例如，像许多浮游植物一样，F。cylindrus在冬天被海冰困住，并在夏季大部分海冰融化时被释放。
F. cylindrus的6000万碱基对(Megabase或Mb)基因组被测序为DOE JGI 2007 社区科学计划组合的一部分。基因组装配的初始版本于2010年提供，分析基因组需要六年多和多个群体，包括基因组学家和群体遗传学家。对于比较分析，将其基因组与硅藻(Thalassiosira pseudonana)和三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)的基因组进行了比较，这两种硅藻均存在于温度较高的溶解铁浓度的海洋中。这些硅藻基因组先前由DOE JGI报道。
分析显示，近四分之一的F. cylindrus基因组包含高度分歧的等位基因，在其他硅藻中发现的相同基因的拷贝，但是通过积累突变而分歧。研究小组发现，这种等位基因分歧似乎与最近的冰川时期相吻合，这一时期始于11万年前。“能够发现相同基因的不同等位基因发散并进化以应对各种环境因素，这是非常了不起的，” 美国能源部JGI真菌基因组学负责人兼高级研究作者Igor Grigoriev说。
Mock指出，研究小组还发现许多基因对于F. cylindrus是 “独特的” ，例如冰结合蛋白和视紫红质。他补充说，他们观察到许多具有锌结构域的蛋白质，因为南大洋的锌浓度很高，而在任何其他浮游植物基因组中都没有发现。锌结合蛋白家族似乎在过去的3000万年内得到了扩展。
“发现F. cylindrus种群维持并支持广泛的变异，以便在恶劣的环境条件下提供种群的适应能力，这对我们理解自然种群对不断变化的环境条件有着广泛的影响，” Jeremy Schmutz说。，DOE JGI工厂计划负责人和研究合着者。“在个体基因型水平上，在变化的条件下观察到的从基因的一个单倍型拷贝到另一个单倍型拷贝的表达转换证明了自然界中存在的存活机制的复杂性，用于将可用的基因组变异和内容翻译成环境响应。对于大多数二倍体真核生物，我们认为单独的单倍型基本上是多余的，并产生单个单倍型参考，但它出现在F. cylindrus的情况下两种单倍型的主要变异对物种的存活和适应至关重要，可能包含调节内容的变化。这可能会改变社区对海洋居住的真核生物进行基因组技术和分析的方式。“
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