海草如何“征服”海洋？
海湿·编者按
海草如何在亿万年前从淡水祖先中独立进化出来，并成功在海洋中生存的？“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编读到一篇2024年1月26日由基尔亥姆霍兹海洋研究中心发布的最新研究，深入研究了海草在演化历程中如何从淡水祖先中独立演化，成为全球最生物多样性、却也最脆弱的沿海海洋生态系统基础。通过对地中海特有的大洋海神草（Posidonia oceanica）、广泛分布的小丝粉草（Cymodocea nodosa）和加勒比海特有的龟草（Thalassia testudinum）三种重要海草物种进行基因组测序和分析，研究团队发现了海草能够成功适应海洋环境的关键线索。这一研究成果在科学期刊《自然植物》上发表，题为“海草基因组揭示了古老的多倍化和对海洋环境的适应”。通过对比三个独立的海草谱系，研究人员发现了海草在约8600万年前经历了整个基因组三倍化的事件，这与大部分海洋当时是无氧的情况相关。此外，研究还揭示了一些适应是由于环境变化导致的基因丧失，强调了在海洋环境中“利用或失去”的重要性。这些新的基因组资源为加速海草生态系统的管理和恢复相关的实验和功能研究提供了强大支持。为助力全球环境治理、并供我国学者了解最新研究动态信息，编译分享信息如下，供感兴趣的读者们参阅。
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海草约1亿年前从其淡水祖先中独立演化出三个谱系，并成为唯一完全浸没在水下的海洋显花植物。这种开花植物成功迁移到如此截然不同的环境，实在是罕见的进化事件，而新的基因组提供了关键线索，与其保护和生物技术应用密切相关。
该研究团队由比利时根特大学的Yves Van de Peer教授、荷兰格罗宁根大学的Jeanine Olsen教授、德国基尔海洋研究中心的Thorsten Reusch教授、意大利那不勒斯Anton Dohrn动物站的Gabriele Procaccini博士以及美国加利福尼亚州伯克利的联合基因组研究所协调，共同对三个重要的海草物种进行了基因组测序和分析。研究首先对基因组结构进行了深入研究，然后比较了与海草及其相关淡水亲属的结构和生理适应有关的基因家族和途径。
该研究结果发表在《自然植物》科学期刊上，题为“海草基因组揭示了古老的多倍化和对海洋环境的适应”。
海草生态系统提供多重功能和服务，例如作为防止侵蚀、维护海岸风景的手段，作为与动植物的生物多样性热点，以及由于其地下生物量中的碳储存能力而作为气候缓解的自然解决方案。由于气候变暖和其他人类影响，海草和珊瑚礁一样正受到严重威胁，因此保护和恢复已经成为密集研究的领域。
©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）工作组
研究团队采取了“众人之力”的方式，深入研究了基因组结构，然后进行了超过2万个基因和相关途径的比较分析，探讨了其进化为特定海洋适应性的基因。23个合作研究小组分别专注于不同的结构或功能基因组，包括其生理功能。一个关键问题是基因组适应是否是并行发生的，还是独立发生的，甚至可能涉及不同的基因组。
Olsen教授指出：“海草经历了一系列极为罕见的适应。花卉植物演化历史中，重新适应淡水环境已经发生了200多次，涉及数百个谱系和数千个物种；而海草只有三次，涉及84个物种。这需要对高盐度、低光、宽温差、水下光合作用二氧化碳捕获、不同病原体防御、结构灵活性和水下传粉等特殊生态耐受力。”
此外，研究人员发现，一些基因家族的保留和扩张仍然可以追溯到早期的重复事件，例如用于对抗紫外线辐射和真菌、刺激固氮细菌招募的类黄酮；用于应对低氧沉积物和与昼夜节律相关的基因的氧化囊酶扩张。结果还显示，“跳跃基因”——可移动元件——在为选择提供新的遗传变异方面发挥了主导作用，尤其是在Thalassia testudinum和Neptune grass的大基因组中。
该团队还发现了一些适应是收敛演化的结果，主要是因为在浸没、高盐度的海洋环境中，一些性状变得多余或有害。失去气孔（叶片表面的微小孔，与大气进行气体交换）、失去挥发物和对抗病原体和耐受海洋热浪的信号传导基因的丧失，特别是热休克因子，都是“利用或失去”的引人注目例子。
Procaccini博士解释道：“明显的是，对支持途径的微调起到了主导作用，而不是基因承担了重大的新功能。耐盐性是一个很好的例子，其中多个过程的更高效率发生，以调节钠、氯和钾。演化变化还使不同物种具有耐受不同环境的能力。”
Reusch教授总结道：“大多数生态上重要的功能是复杂的特征，涉及通过灵活的途径相互作用的许多基因。有了现在为关键海草开发的基因组工具，我们可以开始进行实验性的测试和操控。这对于在气候变化情景下进行的许多讨论中涉及的恢复工作尤为重要。”
这些新的基因组资源将加速对海草生态系统进行实验和功能研究，特别是对其管理和恢复的转变性研究。
全文参见：Xiao Ma, Steffen Vanneste, Jiyang Chang, Luca Ambrosino, Kerrie Barry, Till Bayer, Alexander A. Bobrov, LoriBeth Boston, Justin E. Campbell, Hengchi Chen, Maria Luisa Chiusano, Emanuela Dattolo, Jane Grimwood, Guifen He, Jerry Jenkins, Marina Khachaturyan, Lázaro Marín-Guirao, Attila Mesterházy, Danish-Daniel Muhd, Jessica Pazzaglia, Chris Plott, Shanmugam Rajasekar, Stephane Rombauts, Miriam Ruocco, Alison Scott, Min Pau Tan, Jozefien Van de Velde, Bartel Vanholme, Jenell Webber, Li Lian Wong, Mi Yan, Yeong Yik Sung, Polina Novikova, Jeremy Schmutz, Thorsten B. H. Reusch, Gabriele Procaccini, Jeanine L. Olsen, Yves Van de Peer. Seagrass genomes reveal ancient polyploidy and adaptations to the marine environment. Nature Plants, 2024; DOI: 10.1038/s41477-023-01608-5
基尔亥姆霍兹海洋研究中心（GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel）是德国的一家专注于海洋科学研究的机构、也是德国海洋科学领域最大的非大学型研究机构，属于德国海洋研究联盟的成员之一，总部位于德国基尔市。它是欧洲最大的海洋研究中心，世界五大海洋研究中心之一。该中心的研究领域包括海洋生物学、海洋地质学、海洋化学和海洋物理学等多个方面，通过实验室研究和海上观测活动，收集和分析海洋数据，以深入了解海洋环境的变化和生态系统动态。
Q1: 为什么海草能够在亿万年前成功从淡水环境中演化出来，成为唯一完全浸没在海水中的开花植物？这一罕见的演化事件中发生了什么关键的基因适应性转变？
Q2：文章中提到海草通过基因组复制实现了对海洋环境的激进适应。那么，基因组复制是如何帮助海草在面临严峻环境压力时实现适应性的？这与海洋环境的特殊条件有何关联？
Q3：为何海草失去了一些特征，如气孔、挥发性物质和病原体防御信号传递，这些特征在浸没、高盐度、海洋环境中变得多余或有害？这种“利用还是失去”策略对海草在海洋中的生存有何积极的影响？
Q4：文章提到海草的基因适应性变化中，有一部分是由“跳跃基因”——可移动元件——引起的。这些跳跃基因在海草演化过程中扮演了什么样的角色？它们如何创造了新的遗传变异，从而影响海草在海洋环境中的适应性？
海洋与湿地
OceanWetlands
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来源 | GEOMAR官网
编译 | 王芊佳
审核 | Moretti
排版 | Moretti
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【本文参考资料】
Use it or lose it: How seagrasses conquered the sea
https://www.geomar.de/en/news/article/use-it-or-lose-it-how-seagrasses-conquered-the-sea
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