跳动城乡网海草是全球生物多样性最高但脆弱的沿海海洋生态系统之一的基础。它们起源于大约一亿年前的淡水祖先，形成三个独立的谱系，是唯一完全淹没的海洋开花植物。
迁移到如此完全不同的环境是一次罕见的进化事件，而且绝对不容易。海草是怎么做到的?新的参考质量基因组提供了与其保护和生物技术应用相关的重要线索。
由 38 名研究人员组成的国际小组由比利时根特大学的 Yves Van de Peer 教授、荷兰格罗宁根大学的 Jeanine Olsen 教授、德国基尔 GEOMAR 亥姆霍兹海洋研究中心的 Thorsten Reusch 教授、德国基尔博士和 Dr. Thorsten Reusch 教授组成。意大利那不勒斯的 Gabriele Procaccini、Stazione Zoologica Anton Dohrn 和美国加利福尼亚州伯克利联合基因组研究所对三种最重要的海草物种——标志性的地中海特有海王星草(Posidonia)的基因组进行了测序和分析。 oceanica)、分布广泛的小海王草(Cymodocea nodosa)和加勒比海特有的龟草(Thalassia testudinum)。
研究人员首先检查了基因组结构，然后比较了海草及其相关淡水亲属之间与结构和生理适应相关的基因家族和途径。他们的发现发表在《自然植物》杂志上，题为“海草基因组揭示了古代多倍体和对海洋环境的适应”。
以海草为基础的生态系统提供多种功能和服务，例如作为保护沿海海景的侵蚀保护，作为相关动物和藻类的生物多样性热点，以及由于其地下生物量的碳储存能力而作为基于自然的气候缓解解决方案。保护和恢复都是深入研究的领域，因为由于气候变暖和其他人类影响，海草和珊瑚礁正在消失。
俗话说：“人多手脑多，工作就轻松”。首先，该研究联盟对基因组本身的结构进行了深入的进化研究，然后对它们的 20,000 多个基因以及进化成特定海洋适应的相关途径进行了比较分析。
接下来，23 个合作研究团队各自专注于不同的互补结构或功能基因集，包括其生理功能。一个关键问题是基因组适应是否同时发生，或者它们是否独立发生，甚至可能涉及不同的基因组。
奥尔森教授博士指出：“海草经历了一系列极其罕见的适应。尽管在开花植物进化史上，对淡水环境的重新适应已经发生了 200 多次，涉及数百个谱系和数千个物种，但海草是从淡水环境中进化而来的。”祖先只有三次——涉及84个物种。
“要做到这一点，需要专门的生态耐受性，例如高盐度、较低的光照、广泛的温度耐受性、用于光合作用的水下碳捕获、不同的病原体防御、结构灵活性和水下授粉。”
一项主要成果是，海草能够通过基因组复制启动彻底的适应，这通常与严重的环境压力有关。
“对三个独立的海草谱系(包括淡水姐妹谱系)进行比较，揭示了大约 8600 万年前共享的古代全基因组三倍体。这非常令人兴奋，因为当时大部分海洋都是无氧的，这也是一个团结的事件涉及三个谱系，”范德皮尔教授博士说。
此外，研究人员发现，一些基因家族的保留和扩展仍然可以通过保留的同线性块追溯到这些早期的复制事件，例如类黄酮可以提供针对紫外线辐射和真菌的保护，同时刺激固氮细菌的招募;扩展半胱氨酸氧化酶以应对缺氧沉积物和与生物钟相关的基因。
结果还表明，“跳跃基因”(转座元件)在创造新的遗传变异以供选择发挥作用方面发挥了重要作用。这尤其适用于 Thalassia testudinum 和 Posidonia oceanica 的大型基因组。
该团队还发现一些适应是融合的结果。这主要适用于在水下、高盐度海洋环境中变得多余或有害的性状。气孔基因的丧失——叶子表面提供与大气进行气体交换的小孔——挥发物基因的丧失和防御病原体和耐受海洋热浪(特别是热休克因素)的信号基因的丧失，是“使用它或失去它。”
Procaccini 博士解释说：“很明显，支持途径的微调发挥了主导作用，而不是具有主要新功能的基因。耐盐性是一个很好的例子，其中多个过程的效率更高，以调节钠、氯和钾。进化的变化也为不同的物种提供了承受不同环境的能力。”
Reusch 教授总结道：“对生态最重要的功能是复杂的性状，涉及许多基因通过灵活的途径相互作用。利用现在针对关键海草开发的基因组工具，我们可以开始对它们进行实验测试和操纵。这对于恢复尤其重要在涉及此处讨论的许多条件的气候变化情景下。”
新的基因组资源将加速与海草生态系统的变革管理和恢复特别相关的实验和功能研究。它们是研究界的强大资源。
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