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基因组研究开启了通往可持续食用海藻的道路

自1980年代以来,在冲绳亚热带岛屿海岸线上点缀的海藻农场中,农民种植了可食用的棕色藻类冲绳mozuku(Cladosiphon okamuranus)。这种超级食品在日式料理中很受欢迎,可产生高含量的岩藻依聚糖(一种类粘质物质,对健康有益,包括抑制血栓和肿瘤)。

每年,农民收获的这种褐藻产量超过15,000吨,为当地经济贡献了数十亿日元。但是,由于日益温暖,酸性和污染的水,这种曾经丰收的单产现在正遭受损失。

2016年,冲绳科技大学研究生院(OIST)海洋基因组学小组的研究人员破译了S菌株的基因组,S菌株是第一个被开发的冲绳Mozuku菌株,为这种棕色分子的分子基础提供了线索。海藻。现在,OIST研究人员已经解码了另外三个菌株的基因组-O菌株,C菌株和K菌株。他们的发现发表在BMC Genomics上,可以帮助冲绳海藻养殖业适应日益增长的环境压力,并为褐藻的基本生物学提供新颖的见解。

海洋基因组学的第一作者兼研究员Nishitsuji博士说:“尽管褐藻在生态和经济方面具有重要意义,但到目前为止,尚未进行过遗传研究,研究人员更多地关注其形态,分类学或再生能力。”单元。“部分原因是由于多糖(长碳水化合物链)在细胞壁中的积累,难以从藻类细胞提取DNA和RNA。”

但是Nishitsuji博士认为,由OIST海洋基因组学部牵头开展这项工作,获得基本的基因组信息对于改进栽培方法和表征每种菌株至关重要。Nishitsuji博士及其当时的同事Asuka Arimoto博士于2019年被授予冲绳研究鼓励奖,以表彰其对冲绳在解密包括冲绳mozuku在内的许多藻类作物的基因组方面所做的工作所做出的贡献。

Nishitsuji博士说:“据我们所知,全世界仅公布了七个褐藻基因组,OIST解码了其中五个基因组。”

提取基因组秘密

冲绳县水产研究与推广中心向科学家提供了这四种菌株的样品。他们估计,K株,0株和C株的基因组草图包含分别编码蛋白质的12,511、12,548和12,182个基因。对于S株,他们还修改了先前对13,460个蛋白质编码基因的估计,直到12,999。

在对基因组进行解码后,研究人员使用核和线粒体DNA的序列来研究冲绳mozuku的每个菌株如何进化。他们发现,这四个菌株可能在不同的时间分叉,S菌株先分叉,然后是K菌株。研究人员认为O应变和C应变是最近发展的。在多样化过程中,每种菌株都发展出自己独特的形态。

通过比较200个核基因,构建了系统进化树。比例尺单位是每个站点的替换。这四种菌株在褐藻中形成了自己独特的群体,另一种可食用的海藻ito-mozuku(Nemacystus decipiens)是它们的近亲。冲绳mozuku的四个菌株在大小,质地和分支水平上不同。虽然S应变的身体柔软,并且具有较大的分支分支尺寸,但K应变的分支却较粗壮,并且达到中等大小。O形应变更加坚硬,并且较小,分支更密集。最后,C菌株的质地与K菌株相似,具有中等大小和较细的分支。信用:OIST

当科学家们对整个基因组进行比较时,他们发现每种菌株的基因差异都比预期的要大,每种菌株约有2-3.5%的基因是唯一的。

Nishitsuji博士说:“将其归纳为背景,研究最深入的陆地植物拟南芥中只有约0.79%的基因是每种菌株所特有的。” “我们在冲绳mozuku看到的遗传差异水平要高得多,可能为将每个菌株归类为自己的亚种提供依据。这可能会带来令人兴奋的经济利益,因为它可以让农民销售自己独特的,遗传上不同的品牌冲绳mozuku。”

由于缺乏有关褐藻的遗传数据,研究人员尚未确定这些独特基因的功能。但是,他们希望进一步的研究可以帮助确定这些独特基因中的某些基因是否参与了形态变异或生理变化,从而可以提供不同水平的对环境胁迫(如高温或酸性)的耐受性。

应对气候变化的威胁

气候变化的威胁以及日益严重的海洋污染和酸化水平是该部门对冲绳mozuku遗传学进行调查的主要推动力。

Nishitsuji博士解释说:“我们获得的基因和基因组信息可以帮助我们鉴定出更耐高温的冲绳mozuku菌株,以及哪些潜在的基因提供了这种宝贵的特性。”

最终,该部门旨在通过将现有菌株交叉育种来开发耐受气候变化影响的新菌株。虽然杂交育种对于陆地植物很普遍,但迄今为止在藻类中还没有成功。为了实现这一壮举,研究小组首先计划开发遗传标记,以区分参与繁殖的藻类细胞的性别和品系。

Nishitsuji博士补充说:“这项研究不仅有助于改善冲绳的mozuku种植,而且还具有全球意义,有助于实现联合国的可持续发展目标。” 例如,作为一种负碳作物,海藻养殖有潜力帮助缓解气候变化,并且在将来,它可能成为可持续种植粮食的重要海洋资源。

Nishitsuji博士说:“因此,维持产量和改善冲绳mozuku以及其他可食用海藻的种植是首要任务。”

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