探秘石珊瑚的遗传密码：为何基因组研究如此重要？

王芊佳（编译）海洋与湿地

2024-08-22

本文约 2200 字，阅读约 5 分钟

石珊瑚是珊瑚礁的重要组成部分，承载着丰富的海洋生物多样性。最近的研究发现，石珊瑚的基因组中蕴藏着许多意想不到的秘密，这些发现或许能够解释珊瑚独特的生物特征和多样性。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，最近日本学者石里夏都中（Chuya Shinzato）和吉冈佑纪（Yuki Yoshioka）在2024年2月发表在《基因组生物学与进化》（Genome Biology and Evolution）期刊上发表了一项研究《基因组数据揭示石珊瑚多样生物特征并推动有效的珊瑚礁保护》，揭示了石珊瑚（Scleractinia，刺胞动物门，珊瑚纲）的多样生物特征及其对珊瑚礁保护的深远影响。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。译文因篇幅所限有所缩减，仅供参考，原文参看文末链接。

石珊瑚是珊瑚礁生态系统的关键物种，而珊瑚礁则是海洋中最具生物多样性的生态系统。自2011年首次解码珊瑚基因组以来，截至2023年，已有约40个参考基因组进行了登记。通过对这些基因组的比较分析，研究人员发现了一些可能与珊瑚独特生物特征和多样化相关的基因组特征。这些特征包括合成真菌素样氨基酸的基因、Acroporidae（鹿角珊瑚科）家族中缺失的一种必要的半胱氨酸合成酶，以及在Acropora（轴孔珊瑚属）中DMSP裂解酶类基因的谱系特异性扩展。

图：珊瑚基因组测序揭示了独特的生物学特征，包括鹿角珊瑚（Acropora digitifera）基因组中一个新的光谱素基因簇，丝氨酸β-合成酶基因在鹿角珊瑚属（Acropora）中的缺失，以及鹿角珊瑚属特有的海藻硫代丙酸酯裂解酶样（DMSP lyase-like，DL-l）基因的扩增。图源：Chuya Shinzato, Yuki Yoshioka

虽然与内共生光合甲藻的共生关系是造礁珊瑚的一个普遍生物特征，但，与这种复杂共生关系相关的基因不仅在许多珊瑚物种中存在，而且在每个珊瑚谱系中还有独特复制的基因，这表明：珊瑚与藻类共生的分子机制存在多样性。珊瑚基因组数据还揭示了珊瑚隐藏的复杂种群结构，表明需要针对具体物种和局部环境制定细致的保护政策，以有效维护珊瑚。

因此，积累来自广泛分类群和个体的珊瑚基因组数据不仅促进了对珊瑚礁生物多样性的深入理解，还推动了适当且有效的珊瑚礁保护。在珊瑚礁恢复规划中，考虑不同珊瑚物种的多样生物特征，准确理解珊瑚基因组分析揭示的种群结构和遗传多样性，能够帮助我们“保存”与天然珊瑚礁几乎相同的生态环境。

基因组学的进步为珊瑚保护开辟了新的路径。通过更好地理解珊瑚的生物多样性和种群结构，可以制定更加精确和有效的保护策略。这不仅有助于保护现有的珊瑚礁生态系统，还为未来的珊瑚礁恢复和管理提供了宝贵的科学依据。随着更多珊瑚基因组数据的积累和分析，研究人员将能够更全面地认识和应对珊瑚礁面临的环境挑战，从而实现珊瑚礁的可持续发展和保护。

【全基因组测序揭示的珊瑚基因组基础】

石珊瑚的生存环境往往是浅水、透明、热带和亚热带水域，构成了地球上最丰富多彩的海洋生态系统之一。但随着全球气候变化加剧，海洋环境面临着严峻挑战，尤其是海洋酸化和海水温度上升等因素给珊瑚带来了严重威胁。其中，海水温度升高导致的珊瑚漂白现象尤为突出，严重危害了珊瑚礁的生态系统。因此，保护珊瑚礁已成为当今亟待解决的环境问题之一。

全基因组测序技术的应用为解决这一难题提供了新的途径。基因组是生物体内所有基因的总和，可以看作是生物的“基因密码本”。通过研究石珊瑚的基因组，科学家可以了解它们的遗传信息，从而深入探索它们的生物特征和多样性。

上图：这幅图展示了可能与珊瑚共生相关的基因来源的多样性，反映了不同珊瑚谱系之间分子共生的多种机制。a) Acropora tenuis的生命早期阶段可能的共生相关基因 (Yoshioka et al. 2023)。b) Acropora tenuis生命早期阶段与原生共生体毛鞭藻 (Symbiodinium microadriaticum) 共生过程中，共生相关基因的假定功能。c) 单拷贝的共生相关基因，RNA结合基序蛋白。d) 腔枝鹿角珊瑚属特有的共生相关基因，重复的溶质载体家族2，协助葡萄糖转运体成员8 (SLC2A8-2)。详细的分子系统进化树见 Yoshioka 等人 (2023) 的研究。图源：Chuya Shinzato, Yuki Yoshioka

科学家们通过解析石珊瑚的基因组，发现了许多意想不到的基因特征，这些特征可能是珊瑚独特生物特征和多样性的基因基础。比如，研究人员发现了一些与光保护有关的基因，这些基因可以帮助石珊瑚在阳光强烈的海洋环境中生存。另外，一些容易受到漂白影响的石珊瑚，竟然缺失了一种合成半胱氨酸的酶，这使得它们更容易受到外界环境的影响。

通过研究石珊瑚基因组，人们不仅能够可以了解它们的生物特征，还可以深入探讨它们与共生藻类的关系。共生藻类是石珊瑚的“好朋友”，它们提供给石珊瑚大量的光合产物，帮助它们生存。然而，研究发现，石珊瑚并不完全依赖于共生藻类，它们自身也具备一定的光保护能力。

【研究结论】

这项最新研究发现，通过深入探索珊瑚的基因组，可以发现不同石珊瑚之间存在着各种各样的生物特征。比如，鹿角珊瑚科（Acroporidae）中的CBS基因的丧失，表明不同的珊瑚谱系对共生藻类的依赖程度不同；而MAA基因簇和鹿角珊瑚中DL-L基因的特定扩增，以及谱系特异性的共生相关基因，则揭示了珊瑚与共生藻类之间多样化的分子机制。不同生物特征的珊瑚相互作用，支撑着珊瑚礁丰富的生物多样性，深入了解这些特征对于研究珊瑚生物学和珊瑚保护至关重要。

通过全基因组SNP分析等高分辨率种群基因组研究，研究人员还发现了珊瑚的隐藏、复杂的种群结构。这表明，在制定有效的珊瑚保护计划时，我们需要谨慎地考虑到局部环境和物种特定的保护政策。此外，类似的意外种群复杂性也可能存在于除石珊瑚外的其他海洋物种。截至2023年9月，NCBI已经报告了12个共生甲藻科家族的参考基因组。积累的珊瑚基因组数据不仅促进了对珊瑚礁生物多样性的深入理解，还推动了适当且有效的珊瑚礁保护。

研究人员指出，在规划珊瑚礁恢复计划时，考虑不同珊瑚物种的多样化生物特征，并准确理解珊瑚基因组分析所揭示的种群结构和遗传多样性，将有助于实现“存档”几乎与自然珊瑚礁相同的珊瑚礁环境。他们希望，珊瑚基因分析将为子孙后代保留珊瑚礁的丰富多样性做出贡献。

感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：

Chuya Shinzato, Yuki Yoshioka, Genomic Data Reveal Diverse Biological Characteristics of Scleractinian Corals and Promote Effective Coral Reef Conservation, Genome Biology and Evolution, Volume 16, Issue 2, February 2024, evae014, https://doi.org/10.1093/gbe/evae014

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海湿

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编译 | 王芊佳

编辑 | Sara
排版 | Sara

【参考资料】

https://academic.oup.com/gbe/article/16/2/evae014/7589636#441765581

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