生命科學

海中森林的基因秘密

最微小的光合生物,有最精緻的基因構造!

撰文/王心瑩
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生命科學

海中森林的基因秘密

最微小的光合生物,有最精緻的基因構造!

撰文/王心瑩
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動植物要維持生命所需的代謝過程,必須吸入氧氣、呼出二氧化碳。這兩種氣體如此重要,必得維持適當的平衡狀態才行,而植物便負起這項重責大任,它們於白日進行光合作用,將二氧化碳轉換為氧氣,同時也將太陽能轉換成化學能儲存起來,成為地球上食物網的基礎。除了廣闊陸地上有千變萬化的各種花草樹木參與其中,浩瀚大海裡還有巨大的隱形森林也擔負著同樣的任務,它們是——浮游植物。


浮游植物是生活在水中的藻類,雖是單細胞生物,微小到幾乎只有人類頭髮的寬度,但它們全體每日進行光合作用所轉換的二氧化碳數量,幾乎與陸上植物相當,顯見它們體形雖小,但整體作用可是一點都不含糊。20世紀以來,人類工業社會製造了過多的二氧化碳,所造成的溫室效應導致氣溫節節上升,全球氣候變遷議題炒得沸沸揚揚。因此,負責調節二氧化碳平衡狀態的植物易發重要,浮游植物也在科學研究中佔據了重要的位置。


8月13日,《自然》與《美國國家科學院學報》同時在網路上搶先發表三篇文章,報告了四種海洋浮游植物的基因組定序結果。進行研究的三個科學團隊,選擇四種藍綠藻,分別是Prochlorococcus marinus(目前已知最小的光合生物)的三個亞種,以及一種Synechococcus屬的藍綠藻進行基因定序。這四種藍綠藻在海洋中數量驚人,譬如每一公升的海水約含一億個Prochlorococcus細胞,而它們全部約佔海洋中50%的光合生物量,構成海洋食物網的基礎,重要性可見一斑。


發表於《自然》的第一篇文章,由現為美國西雅圖華盛頓大學的海洋學副教授洛卡普(Gabrielle Rocap)等人定序出其中兩種Prochlorococcus屬藍綠藻的基因組。其中一個亞種MED4的基因組只有1.66 Mb,裡頭只含1716個基因,為目前所知基因組最小的光合生物。另一亞種MIT9313的基因組略大,為2.41 Mb,內含2275個基因。


比較它們的基因組序列發現,這兩個亞種在演化過程中走上不同的道路,相同的基因只剩下1350個,而其餘不同的基因使它們展現不一樣的生理機制,並適應不同的海洋環境。經由比對基因組序列發現,小藍綠藻的基因喜歡接收高強度的光線,難怪它們喜歡生活在海洋表層,而大藍綠藻接收的光線強度較低,所以待在較深層的海水中,顯然這便是它們具有不同生態區位的基因基礎。


《自然》的第二篇文章則由美國斯克里普斯海洋學研究所的帕列尼克(Brian Palenik)所領導。這兩個團隊一直保持密切的合作關係,他們分析基因數據所用的軟體與演算法,都是由美國橡樹嶺國家實驗室與聯合基因組研究院等國家級研究機構負責研發。帕列尼克等人選擇定序Synechococcus屬的一種藍綠藻,它的基因組略大,有2.4 Mb。研究人員詳細分析其基因特性,發現與一般植物相比,這種浮游植物顯然將其調控機制簡化了,很可能是因為與陸域淡水環境相較,海洋環境相對而言要穩定得多,所以不必耗費太多基因進行調控。而為了因應海洋中含鐵量稀少的情形,這種藍綠藻演化出能夠應用鎳和鈷的酵素,就無須太過仰賴鐵;不只如此,由於海洋中有太多的鈉離子可資利用,它們甚至發展出由鈉離子驅動的運送子(運送物質進出細胞膜的蛋白質)。海洋學家過去就已知道,Synechococcus在海洋中的分佈範圍比Prochlorococcus要廣,原來就是因為它發展出如此多樣的適應機制呢!


而第三篇發表於《美國國家科學院學報》的文章,則由法國國家科學研究院為首的歐洲研究團隊提出,他們定序Prochlorococcus marinus的第三種亞種SS120,也是只有1.75 Mb的小基因組,內含1884個基因。與上述三種藍綠藻相較,SS120只保留了非常必要的基因,其他許多原本應該參與光合作用、修復DNA、吸收養份、代謝作用等的基因都不見了,所以研究人員認為,SS120基因組可能代表了光合生物所需最少的基因數。


顯然,研究基因組中各個基因的功能、比較不同基因組的差異,可顯示出這些浮游植物為何有不同的生理作用機制,以及為何明確分佈在不同的海洋環境中。自然界中生物多樣性的演化極為細膩,從這四種藍綠藻的基因組分析可為明證。


【延伸閱讀】
關於浮游植物與全球氣候變遷間的關係,參見《科學人》2002年10月號〈大海中的隱形森林〉