日前，生命科学学院王思博教授课题组在《自然通讯》（Nature Communications）杂志在线发表了题为《水平基因转移与二倍化揭示了产油栅藻科（绿藻门）的进化与胁迫适应》 （Horizontal gene transfer and diploidy illuminate evolution and stress adaptation in oleaginous Scenedesmaceae (Chlorophyta)） 的研究论文。研究通过对栅藻科主要类群绿藻进行无菌纯化培养并构建高质量基因组，首次系统揭示了水平基因转移与二倍化在产油绿藻油脂积累与环境适应演化中的关键作用。
近年来，全球能源与环境危机日益加剧。产油微藻被广泛视为下一代生物燃料、碳中和与废水处理的重要底盘生物。其中，栅藻科绿藻因其高脂含量、强环境耐受性和异养能力而备受关注。然而，其高效产油与强适应性的基因组演化基础长期未得到系统解析。
课题组经过多年纯化培养，对覆盖栅藻科主要类群的38个藻株进行三代测序，组装获得了16个染色体水平基因组，共线性分析显示，栅藻科内部具有良好的基因组保守性。基于单拷贝基因的系统发育分析，高支持率解析了栅藻科各属间的演化关系，为该类群的后续比较基因组学奠定了坚实基础。通过K-mer分布、SNP频率及GC深度等多方法整合，研究首次在栅藻科绿藻中系统识别出10个二倍体藻株。进一步分析表明，这些二倍体可能是通过配子融合和二倍体营养繁殖形成的，而非内源加倍。其中，Tetradesmus obliquus UTEX 3031的两个单倍型在系统发育树中分属不同分支，表明其可能来源于不同种群的杂交事件。
研究在栅藻科基因组中共鉴定出261个HGT（水平基因转移）来源的基因家族，供体主要为细菌、后生动物和真菌。这些外源基因显著富集于四大功能通路，为栅藻的高产油和强适应性提供了遗传基础：酮脂酰-ACP合酶III、脂肪酸去饱和酶及二酰甘油O-酰基转移酶等基因增强了脂肪酸与三酰甘油的合成能力；亚硫酸盐外排泵和硫化物双加氧酶等基因促进硫代脂质合成及硫化氢解毒；首次在绿藻中发现的蔗糖磷酸化酶、蔗糖合酶和木糖异构酶等基因使栅藻能在黑暗条件下高效利用外源糖类；NLR-like蛋白、枯草杆菌蛋白酶及抗坏血酸通路GULO-like等基因显著提升了极端环境适应能力。
研究在多数栅藻科绿藻基因组中发现了来自巨病毒的内源病毒元件EVEs，这些区域聚集了病毒标志基因，并与HGT基因在基因组位置上紧密关联。研究推测，EVEs可能作为外源基因整合的“基因载体”，通过病毒感染过程中的DNA重组机制，将细菌、真菌乃至后生动物的功能基因引入栅藻基因组。该发现为理解真核微生物中HGT的发生机制提供了新的视角。
综上，该研究不仅是对绿藻门物种演化历史的一次深刻洞察，还揭示了水平基因转移和二倍性在绿藻环境适应中的协同作用机制。这些发现为理解早期绿色植物适应性演化提供了新视角，也为微藻生物能源产业化提供了关键基因资源。未来，随着对基因组机制的进一步挖掘，这些微小的“绿色油田”必将在可持续发展中释放出更大的能量。
皇冠城娱乐网为第一完成单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
论文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42026074/
