近日，海洋试点国家实验室海洋渔业科学与食物产出过程功能实验室研究团队揭示了锌在极地海洋浮游植物适应性进化中的重要作用。该研究首次明确元素锌是影响南北两极海洋初级生产者适应性进化、多样性形成与空间分布的关键因子之一，在驱动极地海洋浮游植物物种形成与演化中发挥重要作用，也为评估气候变化下浮游植物驱动的全球海洋锌循环演变趋势提供支撑。
海洋浮游植物的适应性进化历程及生物多样性形成过程与地球海洋化学演变历史戚戚相关。在海洋中，锌是浮游植物必需的微量元素，支撑着DNA和RNA的复制与调节、光合作用和碳固定等关键基础代谢过程。但锌在海洋中的分布并不均衡，呈现两极至赤道浓度逐渐降低的趋势。浮游植物通过光合作用参与并驱动的锌生物地球化学循环是两极锌富集的重要因素。然而，这种极地锌富集背后的生物学机制，以及高锌需求在极地浮游植物生物多样性形成及适应性进化中的作用机制尚缺乏系统研究。
本研究综合运用进化基因组学、宏组学、定量蛋白质组学和细胞生理学等技术手段，从浮游植物模式物种到海洋原位调查，系统揭示了锌驱动的极地浮游植物适应性进化的机制。首次以极地最具代表性的且独立进化的三大类模式浮游植物物种为研究对象，发现了极地硅藻、绿藻、甲藻基因组中同时存在锌结合蛋白基因的扩张现象，明确了该基因的平行进化与锌需求增加之间的正相关性，并揭示了锌指调控蛋白的调控网络增强了极地浮游植物在极地低温和强烈的季节性光照条件下的光合适应能力。
图1 锌结合蛋白基因在极地硅藻、绿藻、甲藻基因组中的扩增
图2 极地和非极地浮游植物中锌指蛋白的调控网络
团队通过跨两极Sea of Change国际计划，获得大洋锌元素分布、浮游植物群落构成及宏转录组学数据，发现两极海域浮游植物中锌结合蛋白基因与光合固碳等基因表达与海水锌浓度与温度正相关，揭示了高锌浓度需求是极地浮游植物适应低温环境的重要因素；通过自然海域浮游植物群落的宏基因组数据，验证了极地浮游植物锌结合基因的扩增与进化是其功能分化及环境适应性的重要分子基础。研究成果不仅明确了元素锌在驱动海洋浮游植物物种形成与适应性进化中的重要作用，也为评估气候变化下全球海洋锌循环演变趋势提供理论依据。
图3 基于真核浮游植物的宏转录组和宏基因组的锌结合蛋白基因数与纬度以及表层海水中溶解锌浓度的关系
生态与生物进化领域国际顶级学术期刊Nature Ecology & Evolution（《自然·生态与进化》）在线发表了“The role of zinc in the adaptive evolution of polar phytoplankton（锌在极地海洋浮游植物适应性进化中的作用）”的研究成果。海洋渔业科学与食物产出过程功能实验室叶乃好研究员为该论文的第一作者与通讯作者；海洋渔业科学与食物产出过程功能实验室张晓雯研究员和英国东英吉利大学的Thomas Mock教授为文章的共同联系作者。研究获得了国家重点研发计划、青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东省专项经费、国家自然科学基金、国家藻类产业技术体系、山东省泰山学者特聘专家等项目的资助。
Nature Ecology & Evolution是Nature的子刊，美国石溪大学的Crysten E. Blaby-Haas教授同日在该期刊刊发了评论文章“Polar algae flaunt their zinc assets（富含锌的极地藻）”，称叶乃好及其团队将多组学研究与地球化学和环境科学的时空解析相结合，为金属辅因子研究开辟了令人兴奋的新途径，这将有助于我们进一步揭示真核浮游植物复杂的进化历史，同时得以窥探和预测海洋生物的未来演化趋势。
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