通过解析耐盐广盐藻Chlorella sp基因组跨物种剖析与盐分相关的基因

为什么这种微小的绿藻对盐碱土很重要

土壤盐化正在默默缩减全球耕地面积，使作物生长愈发困难。在这项研究中，科学家们求助于一个意想不到的盟友：一种显微级绿藻，名为Chlorella sp. MEM25，能在淡水和极高盐度的池塘中都能生存。通过解读其完整基因组并追踪其基因与化学物质对盐分的响应，研究者发现了一组“耐盐基因”工具箱——这些基因不仅帮助该藻耐盐，而且有望被应用于培育更耐盐的作物。

在海洋与池塘之间的幸存者

MEM25是在中国海南岛的一个内陆盐池中发现的，该处水体盐度高于大多数海水并且常年高温。令人惊讶的是，这株微藻能在零盐到超过海水三倍的盐度范围内生长，最佳生长出现在约两倍海水浓度时。团队拼接出了近乎完备的染色体级基因组图谱，显示16条染色体并明确标注了染色体中心与末端。如此精细的图谱使他们能够将MEM25与数十种其他绿藻及陆生植物进行比较，并定位其在进化史上的分支点。

生命在盐水中的进化十字路口

通过基于38种绿藻物种以及若干植物和细菌外群的数百个共享基因构建家系树，研究者发现MEM25处于盐水与淡水绿藻分叉点附近。分子时代学估计其出现于6亿多年前，使其成为已知较古老的绿藻谱系之一。团队分析在咸淡栖息地中倾向出现的基因家族时发现，MEM25表现得很特殊：它既携带许多典型的“海水基因”，又意外含有大量“淡水基因”。统计分析显示，这种双重基因特征使MEM25在盐水物种中最接近淡水藻群，强化了它作为两种环境之间进化桥梁的观点。

应对盐分的共享工具与专属策略

为了解MEM25如何应对突变的盐度，科学家将其活跃基因与小分子代谢物与一株近缘的淡水Chlorella菌株进行比较。通过网络分析，他们将数千个基因和数百种代谢物分为与盐度和物种相关的模块。有些模块在淡盐两种物种中共有，指向一套共同的“祖先”工具：例如处理氧化损伤的基因、进出细胞的小分子运输基因，以及产生经典保护性化合物如脯氨酸、糖类和某些脂质的基因。另一些模块仅在MEM25中出现并仅在盐胁迫时激活，暗示其拥有尚未被描述的特有策略。

借来基因与主动防御

全基因组比较显示，与淡水近亲相比，MEM25中有89个基因家族扩增。其中少数为古老家族，在陆生植物中也能找到，包括帮助清除活性氧、调节细胞体积和在环境变化时标记蛋白以便降解的基因。然而大多数扩增家族似乎为MEM25特有。其中一个显著例子编码的蛋白与细菌中保护渗透胁迫的酶相关，提示该藻可能通过水平基因转移从细菌获得该功能。许多扩增基因在盐度升高时转录水平提高，同时该藻也提高了脯氨酸、不饱和脂肪酸、糖类和维生素等代谢物的含量。这些变化共同表明一套协调的防御系统：强化细胞膜、平衡水与离子并清除盐胁迫产生的有害副产物。

从实验室突变体到未来的耐盐作物

为验证候选基因是否真能影响耐盐性，团队构建了数万个MEM25突变体，并利用基因组范围关联方法将DNA变异与高盐下生长联系起来。这突出了若干属于蛋白标记家族（E3连接酶）的成员。研究者随后在另一株偏好中等盐度的藻中编辑了部分“盐敏感”基因：删除任意6个基因中的一个都能提高该藻在高盐下的生长。他们更进一步，在模式植物拟南芥中敲除了MEM25的一个同源基因RMI1的植物版本。缺失RMI1的植物在盐胁迫下根系生长更长，表明该基因在从藻类到高等植物中都起到抑制耐盐性的作用。

对盐碱世界生命的意义

对于非专业读者来说，结论是：MEM25代表了一个进化试验场，自然在这里尝试了多种穿越海水与淡水边界的策略。它的一些耐盐基因是与陆生植物共享的古老工具，而另一些则是新近发明或甚至从细菌借来的。由于很多基因明显影响生物体应对盐胁迫的能力，它们构成了一个可操作的靶标清单，可用于改良日益盐化的耕地作物。本质上，通过阅读并在实验中操控该藻的基因组，研究者们已开始将其生存技巧转化为有助于在气候变化背景下保障未来粮食生产的策略。

引用: Wang, A., Gan, Q., Xin, Y. et al. Cross-species dissection of saline-related genes by genetically deciphering a euryhaline microalga Chlorella sp. Nat Commun 17, 1577 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68287-6

关键词: 耐盐性, 微藻, 小球藻（Chlorella）, 盐胁迫基因, 作物改良