球藻目比较基因组学与进化分析揭示环境适应机制及进化关系

《Frontiers in Plant Science》：Comparative genomics and evolutionary analyses of Sphaeropleales

　　本综述通过对球藻目（Sphaeropleales）七个新测序菌株及公共数据库基因组进行系统比较分析，揭示了其基因组特征（大小39.8-151.9 Mb，GC含量约56%）、独特基因家族（占2-3.5%）及环境适应机制（如转运蛋白、抗氧化酶、维生素B12共生获取）。研究通过系统发育（低拷贝直系同源基因、18S rDNA）和进化分析（基因家族扩张/收缩、dN/dS正选择）发现陆生Bracteacoccus物种存在快速进化基因，为理解藻类生态适应与进化提供了重要基因组资源。

　　

引言

绿藻门（Chlorophyta）作为绿色植物（Viridiplantae）的重要分支，包含核心绿藻（core Chlorophyta）和并系群prasinophytes。球藻目（Sphaeropleales）属于绿藻纲（Chlorophyceae）的CS支系（含衣藻目和球藻目），涵盖18个科、逾千物种，分布广泛且环境适应性强。其快速生长、抗逆性及生物分子（色素、脂质、淀粉等）合成能力使其在生物燃料、生态毒理学等领域具应用潜力。目前公共数据库已有28个球藻目基因组，但仅8个完成注释。本研究通过新增7个菌株（含首批陆生Bracteacoccus物种）基因组，结合已有数据开展比较基因组与进化分析。

材料与方法

菌株来源包括陆生Bracteacoccus aerius（FACHB-895）、Bracteacoccus engadinensis（FACHB-1300）及淡水Tetradesmus obliquus（4株）、Monoraphidium contortum（FACHB-3677），均于BG11培养基中培养。DNA提取后通过DNBSEQ平台测序，使用FastQC质控、SOAPnuke过滤、megahit组装，并通过Anvio去除非真核序列。基因预测采用AUGUSTUS（基于volvox等模型）和GeMoMa（以Volvox carteri等为参考），功能注释通过InterProScan（GO术语）和EggNOG-mapper（KEGG通路）完成。基因组完整性经BUSCO（chlorophyta_odb10）评估（均>90%）。

直系同源基因分析使用OrthoFinder（含外群V. carteri和D. salina），转运蛋白通过TCDB数据库BLASTp鉴定（e值<1E^?5），重复序列由RepeatModeler/Masker分析。系统发育基于低拷贝直系同源基因（MAFFT比对、TrimAl修剪、RAxML/ASTRAL建树）和18S rDNA（贝叶斯推断）。基因家族扩张/收缩通过CAFE分析，进化选择采用PAML的CODEML分支模型（比较陆生与水生物种dN/dS）和分支-位点模型（检测正选择基因），富集分析使用clusterProfiler（FDR校正）。

结果与讨论

系统发育分析

18S rDNA和低拷贝直系同源基因系统发育树均支持物种鉴定及核心绿藻内部关系，并确认Prasinoderma coloniale属于Prasinodermophyta门。ASTRAL构建的物种树显示新测序菌株在球藻目内聚类明确。

基因组特征

新测序基因组大小45.62-109.8 Mb，GC含量55.72-57.63%，基因数6,874-13,568，重复序列占比3.06-18.88%。Scenedesmus属基因组大小变异最大（39.8-151.9 Mb），Tetradesmus基因组多>100 Mb，Monoraphidium、Raphidocelis和Bracteacoccus基因组中等（46.6-69.5 Mb）。GC含量多数约56%，但Monoraphidium和Scenedesmus sp. PABB004超70%。重复含量与基因组大小无显著规律。

直系同源基因家族与功能比较

15个基因组共享3,761个基因家族，各菌株独特家族占2-3.5%（如Tetradesmus独有5,587个）。GO、PFAM和KEGG分析显示功能类别高度保守。转运蛋白鉴定出320类，Sphaeropleales较Chlamydomonas reinhardtii具更多H⁺/己糖转运蛋白（2.A.1.1）、氨基酸透酶（2.A.18.2）、肽转运蛋白（2.A.17.3）、水通道蛋白（1.A.8.8）和金属-烟胺转运蛋白（2.A.67.2），这些基因与其环境适应性相关：水通道蛋白助高盐适应，金属转运蛋白提示重金属敏感性与修复潜力，营养转运基因支持快速生长。

此外，所有物种均含吡咯啉-5-羧酸还原酶（助脯氨酸合成以抗冷/盐胁迫）和抗氧化酶（如过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶）基因。维生素B合成通路（B1、B6、B7）完整，但无B₁₂合成基因，仅具B₁₂代谢相关基因，表明其通过细菌共生获取B₁₂。所有物种还保留鞭毛组装和减数分裂相关基因，提示可能存在隐性有性周期。

基因家族进化与正选择

CAFE分析显示所有物种及祖先节点均存在大量基因家族扩张与收缩，其中Bracteacoccus收缩最多（17,499-17,786），Tetradesmus obliquus FACHB-276扩张最多（2,142）。Bracteacoccaceae祖先节点扩张基因富集于甲硫氨酸合成、钴胺素结合、tRNA修饰等功能。

分支模型鉴定3,032个直系同源群在陆生Bracteacoccus中dN/dS显著更高（快速进化），分支-位点模型筛选13个正选择基因（与快速进化基因重叠）。GO富集显示这些基因涉及氧化还原过程、线粒体功能、淀粉/多糖代谢等。这些进化特征可能与Bracteacoccus在陆生环境（极地至污染土壤）的适应相关，如甲硫氨酸合成助热应激适应，C-戊糖基转移酶参与UV防护，tRNA修饰响应冷/旱/盐胁迫。

结论

本研究通过比较基因组学揭示了球藻目的基因组多样性、环境适应机制（转运蛋白、应激酶、维生素共生）及进化动态。系统发育确认物种关系，基因家族扩张/收缩和正选择分析突显陆生Bracteacoccus的快速进化特征。成果丰富了球藻目基因组资源，为藻类生态适应、进化及生物技术应用提供理论基础。