布朗潮罪魁祸首测序藻类绽放物种的第一基因组

加利福尼亚州沃尔特克里克 - 藻类在全球碳循环中发挥关键作用，帮助隔离大量碳。一些藻类物种可以开花或变得如此多，以至于它们使沿海水域褪色并减少生态系统中可利用的光和氧气量。以前被称为“赤潮”，二十年前引入了“有害藻类繁殖”(HABs)一词，注意到藻类生物质的积累有时也会使海水变成棕色或绿色，破坏生态系统或红色水域有时可以是无害的。

2月21日在美国国家科学院院刊上在线发表，由Igor Grigoriev领导的美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)科学家组成的研究小组报告了第一个完整和注释的基因组序列。一种HAB物种：Aureococcus anophagefferens。

乍一看，海洋浮游植物非常微小，其中50个并排跨越一根人类头发的宽度，似乎是无害的。“它是一种光合生物，在碳循环中起着重要作用，特别是在沿海生态系统中，可以降解有机碳，”石溪大学的第一作者Christopher Gobler指出。“当这些花朵中的一个发生并且每升产生十亿个细胞时，它代表每升的毫克碳，这比你在沿海生态系统中看到的要高得多。”通过测序其基因组或生物源代码，科学家可以检查它的“零件清单”提供了有关金黄色葡萄球菌捕获二氧化碳的能力的线索，在不同的海洋环境中生存，在其蛋白质中利用硒，并且超过其许多竞争对手。

美国能源部JGI对来自纽约长岛海岸的文化分离样本进行了5600万个Aureococcus碱基对基因组的测序，这是25年前首次出现在东海岸时受微藻影响最大的地区之一。美国

然而，当数十亿个Aureococcus细胞聚集在一起时，它们会超过该地区的其他海洋浮游植物，破坏海洋生态系统中的食物链，并对贝类产业产生经济影响。在过去十年中，美国的这种和其他HAB现象造成的经济损失估计为10亿美元。

“在发布人类基因组草案后的十年中，JGI率先开发了第一个硅藻，Ostreococcus和蓝细菌的海洋藻类基因组学，”格里戈里耶夫说。“与这些可以栖息在相同河口的浮游植物相比，Aureococcus，它们胜过它们，显示基因组编码的优势，从替代营养素中受益，在变化的光照条件下生存，并编码最大数量的硒蛋白(使用微量元素硒)到目前为止已知的基本细胞功能。“

Gobler详细阐述了Aureococcus如何在沿海河口与其他浮游植物竞争。“当我们观察到我们发现Aureococcus开花的沿海生态系统时，我们发现它们富含有机物质，非常混浊并富含微量金属，”他说。“当我们观察Aureococcus的基因组时，它最终被丰富了基因以利用这些条件。令人惊讶的是基因组与生态系统之间的一致性。“

例如，这种光合微藻很适应低光，并且可以在无光条件下长期存活。基因组研究显示，Aureococcus有62个光捕获基因，而其竞争对手平均有几十个这些基因。

“我认为这篇论文说明了一切，”伍兹霍尔海洋研究所的高级科学家唐安德森说，他研究了数十年来有害的藻类繁殖，并且是该领域研究工作的不懈推动者。“几十年来，科学家们一直试图理解为什么这种物种在开花时会开花，当水中有如此多的其他竞争物种时，它如何能够占主导地位。通过这种新的基因组数据，我们有了一种新的方法。我们得到了基于这些基因的答案，尽管我们仍然需要其他方法来收集相关的海洋学和化学数据，以及从基因的存在和缺失中得出的推论。这是一个伟大的进步 - 对我们的社区来说是一个很好的资源。尽管HAB物种之间存在重大差异，但我们了解了Aureococcus通过这种方法，这些知识将有助于我们与其他HAB物种取得类似的进展。“

Gobler说，数据产生的一个研究领域涉及这些捕光基因。“我们知道，随着盛行的发生，河口的光线水平逐渐降低，变得更加浑浊。我们可以看到Aureococcus中表达的光捕获蛋白在开花时会开启吗?“他问道。“除了基因表达，蛋白质组学和研究在花期间合成的蛋白质也是未来研究的其他领域。”

DOE JGI的Grigoriev还指出，将基因组测序与其他技术相结合的多学科方法使研究人员能够探索生态基因组学的新领域，这与生物地球化学中的DOE使命密切相关。“将生态系统的物理化学参数与其居民的基因组潜力相对齐，使我们能够监测环境的变化。有害的藻类大量繁殖是最近报道的现象，可能与海岸线上不断增长的人口有关，这为Aureococcus茁壮成长创造了条件，从而对河口产生了不利影响。另一方面，大量的藻类大量繁殖可以减少大气中的二氧化碳。因此，通过采用生态基因组学方法，我们可以开始建立目标环境的平衡模型。“

Gobler说，这项工作表明了管理的下一步。“我们现在知道这种生物体在遗传上倾向于利用沿海生态系统的某些特征。我们也知道因为人的活动而存在的特征。如果我们继续增加，例如沿海水域的有机物质，那么它将继续有利于棕色潮汐，因为它在这些条件下具有遗传倾向于茁壮成长。“

美国能源部联合基因组研究所在美国能源部科学办公室的支持下，致力于推进基因组学研究，以支持与清洁能源生产，环境特征描述和清理相关的DOE任务。总部位于加利福尼亚州Walnut Creek的DOE JGI提供集成的高通量测序和计算分析，使基于系统的科学方法能够应对这些挑战。