美国完成团藻基因组测序 有望破解光合作用玄机

2010-7-19 11:41 来源: 科技日报
收藏到BLOG

  在为交通运输提供碳中性(平衡)燃料这条漫长且艰难的道路上,美国能源部正寻求多种途径力图实现自己的目标。能源部的努力包括探寻自然界中潜在的新型燃料资源,它们包括从陆地上可作为纤维质原料的植物(如快速生长的树木和多年生牧草)到水中及其他生长环境中的产油生物(如海藻和细菌),极具多样性。

  对生物燃料研究人员而言,近期美国《科学》杂志刊登的一项成果无疑是一条喜讯。根据该杂志的报道,美国能源部联合基因组研究所(JGI)和索尔克研究所领导的研究人员破译了carteri团藻(Volvox)的基因组。carteri团藻是一种多细胞海藻,它通过光合作用获取光能。

  藻类光合作用藏“玄机”

  据悉,美国能源部之所以大力支持光合成生物体内复杂机制的研究,为的是更好地认识生物体如何将阳光转换成能量,以及光合成细胞如何控制生物的新陈代谢过程。这些信息有助于未来可再生生物燃料的生产。

  在《科学》杂志刊登的文章中,研究人员将团藻基因组同其近亲单细胞莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的基因组进行了比较。3年前,联合基因组研究所曾破译了莱茵衣藻的基因组。衣藻是人们深入研究的潜在的海藻生物燃料资源。团藻和衣藻均属于团藻目家族,团藻基因测序的重要价值在于它可以作为衣藻基因参照物(对比物),研究人员通过数据比较来研究它们的光合作用机理以及多细胞生物的演化。

  与衣藻不同,团藻包含两种细胞:一种是数量较少的生殖细胞,另一种则是数量较多的体细胞。生殖细胞能够分化形成新的菌落,与此同时,体细胞则提供机动力,并分泌能导致生物体扩展的细胞外基质。团藻内两种细胞的分工使得团藻比衣藻生长和游动都要快,从而帮助团藻能够躲避捕食者,同时在更深的水域获取营养。

  文章第一合著者、索尔克研究所科学家吉姆・伍曼表示,团藻特别令人着迷的地方是它如何有选择地减少光合作用或调节光合作用以支持另一种细胞。虽然目前人们还没有很好地认识团藻的这一特性,但该特性有可能帮助人们通过转基因工程让光合生物进行相应变化,生产生物燃料或其他产品。

  并不是“越小越简单”

  联合基因组研究所生物信息学家西蒙・普鲁克尼克解释说,研究团藻目生物的兴趣点在于单细胞祖先在较短的进化时间段演化成多细胞和复杂的细胞过程。研究人员发现,尽管团藻和衣藻两种生物的复杂程度和生命史存在很大差异,二者的基因组却有相似的蛋白编码潜能。与莱茵衣藻相比,专家在团藻细胞内只发现了很少该生物特有的基因,也就是说,多细胞的团藻基因组缺乏创新。因此,越小越简单的理念开始受到挑战,科研人员由此推断,从单细胞生物演变为多细胞生物并非必须大幅提高基因的数目,在这种演变中,基因如何以及何时编码合成特定的蛋白才具有决定意义。相信随着更多的单分子生物的基因组被破译,人们对此将会有更多的了解。

  分析显示,大约有1800个蛋白质家族属于团藻和衣藻所独有。这些蛋白质家族是多细胞物种生长和发生形态变化的基因物质资源,尤其是经查明,某些蛋白质家族与多细胞体相关。团藻和衣藻在利用这些蛋白质家族方面的不同之处将是人们未来准备研究的问题。伍曼表示,团藻基因组为衣藻基因组工程以及精确认识形态进化和蛋白质创新增加了巨大的价值,现在人们需要静下来研究这些基因的功能。

  普鲁克尼克认为,团藻和衣藻作为易驾驭的实验模式生物,它们的信息可以被人们广泛使用,包括那些对团藻生物学不感兴趣的研究人员。他表示,团藻基因组是指导其对目标领域进行深入研究的极好资源。

  华盛顿大学名誉教授大卫・科克预计,由于团藻基因组的破译,在未来5年里,研究团藻的群体人数将迅速增加。他说:“认识多细胞体的起源是我毕生的兴趣,随着基因组测序完成,这项工作开始起步了。现在,人们可以轻而易举地获得更多的答案。真希望自己出生得晚些,这样可以成为研究的参与者。不过,我将在一旁为研究者欢呼。”