揭露对生态有害的微生物隐藏的遗传多样性

一种微小的藻类正在世界各地引起有毒藻华，影响了的二十几个州，尤其是德克萨斯州。对造成这种现象的生物体(Prymnesium parvum)遗传多样性的新研究可以帮助当局预测水华何时发生。

得克萨斯州每年冬天金藻都会开花，导致得克萨斯州公园和野生动物部门监测几个湖泊，寻找下一个湖泊的迹象。“当它们开花时，它们的作用不仅仅是杀死鱼。它们破坏了整个生态系统，” 普渡大学生物化学副教授 詹妮弗·威斯卡弗说。

与许多其他单细胞生物一样，Prymnesium 与所有动物、植物和真菌一样，都是真核生物。它们的细胞都含有细胞核。但金藻也被归类为原生生物，这意味着它们既不是动物、植物也不是真菌。和植物一样，金藻也有叶绿体来利用太阳的能量，这使得它们成为藻类。

该生物体于 1980 年首次在佩科斯河中开花。威斯卡弗说：“从那时起，得克萨斯州的普金尼苏姆病只变得更加严重，并且它的花朵已经蔓延到附近的州。” Prymnesium 尚未困扰印第安纳州水域，但在内布拉斯加州、爱荷华州和西弗吉尼亚州等北部各州已经出现。

“它们不能在完全淡水中生长。他们会死，”怀斯卡弗说。“但它们对低盐含量的耐受性极强，可以在盐度仅为典型海水 1% 的水中生存。”

是什么让这种生物体侵入淡水系统，这是怀斯卡弗实验室试图回答的问题之一。去年，Prymnesium 在德国奥得河首次开花，该河水的含盐量较低。

“Prymnesium 有点像一个难题，”怀斯卡弗说。“它似乎在对该物种来说不太理想的条件下开花。它在盐度极低且营养物质不是很丰富的情况下开花。”

目前对有毒藻华何时发生的预测主要基于营养物质、盐度和温度等水条件。但生物因素也可能很重要。

“不同的金藻菌株可以产生不同类型的毒素。有些菌株毒性很强，而另一些则毒性较小。如果我们不考虑这些生物学差异，这将影响我们预测水华最有可能发生的时间以及它们对环境影响的能力。但在我们研究造成这些差异的基因之前，我们首先需要对这些生物体的基因组进行测序，”怀斯卡弗说。她和来自普渡大学、宾夕法尼亚州立大学哈里斯堡分校、加州大学圣地亚哥分校 (UCSD) 和佛罗里达国际大学的八位合著者最近 在《当代生物学》 杂志上发表了他们的发现。

起初，Wisecaver 认为她的团队可以只对 Prymnesium parvum 的一个基因组进行测序，以作为参考。“Prymnesium 基因组很大，与许多植物或动物基因组的大小一样，”Wisecaver 说。

“通常，对单个物种的多个基因组进行测序是不切实际的。相反，我们计划将毒性不同的菌株的遗传组成与一个参考基因组进行比较。然而，我们很快发现需要测序的基因组并不只有一个。我们需要对许多基因组进行测序，以了解存在的多样性，”她说。

在显微镜下检查时，所有金藻标本看起来都很相似。然而，新研究中的单细胞 Prymnesium 菌株的基因组包含 1.15 亿至 3.6 亿个 DNA 碱基对。

“基因组大小存在令人难以置信的变化。威斯卡弗说：“数量太多，无法被视为单一物种。” “事实证明，Prymnesium 的绽放不仅仅是一大群。它们是多个种群、多个不同的物种。”

事实证明，弄清楚所分析的一个基因组是杂交基因组是另一项挑战。“将基因组放在一起就像将一个大而复杂的拼图放在一起，”怀斯卡弗说。“但是想象一下，我们有两个拼图游戏混合在一起。我们以为我们正在解决一个难题，但实际上我们正在解决两个难题。这需要额外的分析才能弄清楚。”

“尽管藻类很重要，但这项工作只是藻类杂交基因组描述的第二个例子，”加州大学圣地亚哥分校国立卫生研究院国家研究服务奖博士后研究员蒂莫西·法伦 (Timothy Fallon) 说。“它揭示了一种尚未得到充分考虑的整个进化模式，因为工具和如何使用它们的路线图不存在。现在工具已经存在，并且通过这项工作，出现了使用这些工具来研究杂交的新路线图。”

法伦预计会有更多的藻类或原生生物研究人员在他们研究的生物体中发现杂交案例。“这些杂交可能是他们正在研究的进化适应背后的关键，”他说。

这项新研究显示了根据物理形态和结构对单细胞真核生物进行分类的缺点。“这对于 Prymnesium 来说还不够，我预计对于其他原生生物来说也是如此。我们可能低估了这些群体的多样性。”怀斯卡弗说。