6月2日，生態(tài)與生物進化領域國際頂級學術期刊Nature Ecology & Evolution（Nature子刊）在線發(fā)表了中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所葉乃好團隊國際合作的新成果The role of zinc in the adaptive evolution of polar phytoplankton。該研究首次明確元素鋅是影響南北兩極海洋初級生產(chǎn)者適應性進化、多樣性形成與空間分布的關鍵因子之一，在驅動極地海洋浮游植物物種形成與演化中發(fā)揮重要作用，也為評估氣候變化下浮游植物驅動的全球海洋鋅循環(huán)演變趨勢提供支撐。

海洋浮游植物的適應性進化歷程及生物多樣性形成過程與地球海洋化學演變歷史戚戚相關。在海洋中，鋅是浮游植物必需的微量元素，支撐著DNA和RNA的復制與調節(jié)、光合作用和碳固定等關鍵基礎代謝過程。但鋅在海洋中的分布并不均衡，呈現(xiàn)兩極至赤道濃度逐漸降低的趨勢。浮游植物通過光合作用參與并驅動的鋅生物地球化學循環(huán)是兩極鋅富集的重要因素。然而，這種極地鋅富集背后的生物學機制，以及高鋅需求在極地浮游植物生物多樣性形成及適應性進化中的作用機制尚缺乏系統(tǒng)研究。

本研究綜合運用進化基因組學、宏組學、定量蛋白質組學和細胞生理學等技術手段，從浮游植物模式物種到海洋原位調查，系統(tǒng)揭示了鋅驅動的極地浮游植物適應性進化的機制。首次以極地最具代表性的且獨立進化的三大類模式浮游植物物種為研究對象，發(fā)現(xiàn)了極地硅藻、綠藻、甲藻基因組中同時存在鋅結合蛋白基因的擴張現(xiàn)象，明確了該基因的平行進化與鋅需求增加之間的正相關性，并揭示了鋅指調控蛋白的調控網(wǎng)絡增強了極地浮游植物在極地低溫和強烈的季節(jié)性光照條件下的光合適應能力。

鋅結合蛋白基因在極地硅藻、綠藻、甲藻基因組中的擴增

極地和非極地浮游植物中鋅指蛋白的調控網(wǎng)絡

團隊通過跨兩極Sea of Change國際計劃，獲得大洋鋅元素分布、浮游植物群落構成及宏轉錄組學數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩極海域浮游植物中鋅結合蛋白基因與光合固碳等基因表達與海水鋅濃度與溫度正相關，揭示了高鋅濃度需求是極地浮游植物適應低溫環(huán)境的重要因素；通過自然海域浮游植物群落的宏基因組數(shù)據(jù)，驗證了極地浮游植物鋅結合基因的擴增與進化是其功能分化及環(huán)境適應性的重要分子基礎。研究成果不僅明確了元素鋅在驅動海洋浮游植物物種形成與適應性進化中的重要作用，也為評估氣候變化下全球海洋鋅循環(huán)演變趨勢提供理論依據(jù)。

基于真核浮游植物的宏轉錄組和宏基因組的鋅結合蛋白基因數(shù)與緯度以及表層海水中溶解鋅濃度的關系

黃海水產(chǎn)研究所葉乃好研究員為該論文的第一作者與通訊作者，碩士研究生韓文韜為并列第一作者；黃海水產(chǎn)研究所張曉雯研究員和英國東英吉利大學的Thomas Mock教授為文章的共同聯(lián)系作者。研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、青島海洋科學與技術試點國家實驗室山東省專項經(jīng)費、國家自然科學基金、國家藻類產(chǎn)業(yè)技術體系、山東省泰山學者特聘專家等項目的資助。

美國石溪大學的Crysten E. Blaby-Haas教授同日刊發(fā)了評論文章Polar algae flaunt their zinc assets，稱“葉乃好及其團隊將多組學研究與地球化學和環(huán)境科學的時空解析相結合，為金屬輔因子研究開辟了令人興奮的新途徑，這將有助于我們進一步揭示真核浮游植物復雜的進化歷史，同時得以窺探和預測海洋生物的未來演化趨勢”。

相關鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41559-022-01750-x

https://www.nature.com/articles/s41559-022-01721-2