Mol. Biol. Evol.

基因组是生物完成复杂生命活动的基础，基因组大小的演化一直以来就是进化生物学家们关注的重要科学问题。近年来大量的基因组研究揭示生物体的复杂性并不与其基因组大小正相关。例如，海洋绿藻Ostreococcus tauri作为单细胞自养真核生物，其基因组比粘细菌Sorangium cellulosum还要小。最近对海洋微生物和藻类的研究也表明，基因组精简是能够赋予生物在特定生存环境下生存优势的进化策略。然而，具有更高进化地位的异养真核生物是否也可以采用同样的进化策略依然缺乏足够证据，对于保障真核捕食者们完成复杂生命活动所需要的基因规模的下限依然未知。

2022年3月24日，中国科学院北京生命科学研究院赵方庆团队和中国科学院大学苗苗团队合作在Molecular Biology and Evolution杂志发表题为“An extremely streamlined macronuclear genome in the free-living protozoan Fabrea salina”的研究论文，报道了他们关于真核生物基因组进化策略的研究成果。该团队从原生动物盐蚕豆虫(Fabrea salina)入手，首次系统解析了目前已知的自由生异养真核生物的最小基因组，为真核生物基因组精简理论提供了新见解，揭示了其高盐环境适应的遗传学基础。

纤毛虫起源于约11亿年前，是一类结构和功能最复杂的单细胞真核生物，是研究真核生物基因组进化的重要材料。盐蚕豆虫能够在35 ~ 180 ppt盐度生长繁殖，环境适应性强，繁殖周期快，且对恶劣环境有显著抗性。此前盐蚕豆的基因组数据一直处于空白状态，影响了对盐蚕豆耐盐机制的深入研究。该研究团队首先建立了盐蚕豆虫的培养体系，综合采用单细胞基因组技术和Nanopore测序技术，重构出高质量的盐蚕豆虫大核基因组。其基因组仅有18.35Mb，86.5%的拼接序列中具有双侧端粒，说明其基因组高度完整性。此外，共鉴别出9918个蛋白编码基因，其数目在目前已发表的自由生纤毛虫中最少，且仅相当于原核生物中粘细菌的基因数量。如此简洁精巧的基因组赋予其作为生物演化研究模型的特殊地位。

该研究团队进一步通过比较和进化基因组学分析，系统揭示了盐蚕豆虫高基因密度、微内含子、同源基因收缩等基因组精简特征以及与环境适应相关的基因组结构，提供了真核捕食者基因组精简进化的直接证据。通过对其耐盐机制的探究，发现基因组中高盐胁抗性相关基因的扩增事件及转录组水平表达特征，揭示了盐蚕豆虫对高盐环境的适应性进化。研究发现了磷脂酸的积累可能在抵抗细胞内高渗透压中发挥了重要作用。此外，该团队首次描述了盐蚕豆虫有性生殖过程中大核的形态特征和转录组图谱。该研究首次解析了自由生纤毛虫的极简基因组特征，阐明盐蚕豆虫作为研究真核生物基因组进化模型的特殊地位，为理解基因组的精简和进化历史提供了独特视角。

中国科学院大学博士研究生张冰和硕士研究生侯丽娜为论文并列第一作者，中国科学院北京生科院赵方庆研究员和中国科学院存济医学院苗苗教授为共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金委和中国科学院的经费支持，并得到中国海洋大学原生动物实验室的帮助。

图1. 盐蚕豆虫基因组特征及耐盐机制

论文链接：

https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msac062/6553891