Cell | 棕色藻类基因组演化与生态适应

棕色藻类（Phaeophyceae） 是复杂多细胞生物，在约4.5亿年前从光合不等鞭毛生物 （photosynthetic stramenopiles） 演化而来【1】。它们凭借坚韧灵活的细胞壁、独特的代谢途径和多样化的生活史，成为海岸生态系统中的关键组成部分【2】。细胞壁和代谢途径赋予了棕色藻类抗环境压力和掠食的能力，而世代交替的生活史则增强了它的适应性和生态稳定性。这些特性让它不仅支持物质循环和碳固定，还通过构建海藻森林为海洋生物提供栖息地，维持生态系统的功能与稳定【3】。然而，由于气候变化，近年来海藻种群数量显著下降。研究其基因组演化和生物学特征可以帮助保护这一棕色藻类生态系统。

近日，索邦大学 （Sorbonne Université） 的J. Mark Cock等联合在Cell上发表了文章Evolutionary genomics of the emergence of brown algae as key components of coastal ecosystems， 探索了棕色藻类基因组的演化历史，重点分析基因家族扩增、水平基因转移（HGT）、病毒基因整合及其对形态和生态适应的影响。

图1：本项目测序的关键物种在潮间带中的大致位置

研究者使用长读长测序技术 （long-read technology） 对17种棕色藻类进行了基因组测序，并构建了43种草图基因组，密集覆盖了棕色藻类谱系。这项工作大大增加了现有的棕色藻类基因组数据，为研究这一重要类群的演化、基因功能和生态适应性奠定了坚实的基础。这些基因组数据被整合到Phaeoexplorer数据库中，便于研究者进一步探索。

研究发现，早期棕色藻类在演化过程中经历了基因组内容和基因结构的显著变化。具体包括褐藻门起源时获得的基因家族；来自细菌、真菌和其他真核生物的大量基因整合到棕色藻类基因组中 （水平基因转移（HGT）） ；还有内含子数量显著增加，表明基因调控和剪接的复杂性逐渐增强。通过这些早期演化事件，获取了多种关键代谢和信号传导途径，如细胞壁合成相关基因、卤素代谢基因 （棕色藻类独有，具有抗菌抗氧化功能） 和多酚代谢基因 （抗紫外线与防御机制相关） 。

中生代是棕色藻类演化的关键时期，这期间的基因组变化主要由复杂形态进化、生活史发展出世代交替策略和有性生殖策略变化三个方面的演化推动。而棕色藻类的多样化与海洋森林的出现密切相关，这可能是因为细胞壁相关基因扩增，支持了棕色藻类形成大型群落 （如海带林） ，并且信号传导基因扩增，提高环境感知和细胞间通讯能力，帮助棕色藻类在动态的海洋环境中维持生态优势。

研究还发现棕色藻类基因组中广泛存在病毒插入序列，尤其是Phaeovirus家族的基因组整合。病毒基因可能通过提供新功能或改变基因组结构，推动宿主基因组的创新。

总之，研究从基因组特征的整体分析切入，通过揭示基因家族扩增和HGT事件，联系病毒整合对基因创新的作用，最终将基因组变化与棕色藻类的生态适应性结合，形成该物种清晰的演化路径。研究阐明了棕色藻类基因组在多细胞复杂性和生态适应性方面的演化模式。未来研究可以进一步解析病毒基因整合对其他海洋生物的潜在影响，并探讨这些基因的功能及其在气候变化中的适应性。

参考文献

1. Choi, S.-W., Graf, L., Choi, J.W., Jo, J., Boo, G.H., Kawai, H., Choi, C.G., Xiao, S., Knoll, A.H., Andersen, R.A., et al. (2024). Ordovician origin and subsequent diversification of the brown algae.Curr. Biol.34, 740–754.e4. https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.12.069.

2. Cock, J.M., Godfroy, O., Macaisne, N., Peters, A.F., and Coelho, S.M. (2014). Evolution and regulation of complex life cycles: a brown algal perspective.Curr. Opin. Plant Biol.17, 1–6. https://doi.org/10.1016/j. pbi.2013.09.004

3. Eger, A.M., Marzinelli, E.M., Beas-Luna, R., Blain, C.O., Blamey, L.K., Byrnes, J.E.K., Carnell, P.E., Choi, C.G., Hessing-Lewis, M., Kim, K.Y., et al. (2023). The value of ecosystem services in global marine kelp forests.Nat. Commun. 14, 1894. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37385-0.

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01272-8