小绿藻Pseudoscourfieldia marina形态与生命周期多样性的基因组与转录组基础

过着两种截然不同生活的小藻

在广阔的海洋中，许多关键生物都小到肉眼无法见到。本研究关注一种名为Pseudoscourfieldia marina的单细胞绿藻，它能以两种显著不同的外观和行为出现，但这两种形态都属于同一物种。通过研究其DNA与RNA，作者展示了同一遗传蓝图如何支持在形态、生活方式乃至生态角色上可能不同的两个生活阶段。

同一物种，两种面貌

Pseudoscourfieldia marina长期以来令科学家困惑，因为它有时呈现为微小、光滑、不游动的球状体，有时则为稍大、卵形、被鳞片覆盖且配有一对摆动的尾状鞭毛。传统上，这类差异通常被认为代表两个独立物种。此前关于这些细胞的能量产生与光合隔室的研究已提示它们可能是同一生物体。在本研究中，作者对一株无鞭毛的球状（coccoid）株和一株有鳞片的有鞭毛株的主要核基因组与基因活动模式进行了测序与比较，以理解这种截然不同的形态如何产生。

相似的基因组，不同的设定

两株菌株的基因组非常相似。它们的染色体数、基因的物理顺序和基因类型几乎相同。然而，两者在每条染色体拷贝数以及基因使用的活跃程度上存在差异。圆形非游动株主要为二倍体，携带每条染色体的两个拷贝，而有鳞有鞭毛的游动株主要为单倍体，只有一份染色体。两株还都携带不寻常的“特例”染色体，这些染色体富含重复DNA与可移动遗传元件。这类特殊染色体富集了参与糖类化学与细胞表面分子相关的基因，在有鞭毛株中许多此类基因高度活跃，提示这些区域可能帮助藻类快速调整其外层结构，或作为对病毒的防御机制的一部分。

构建鞭毛与外衣

两种形态的核心差异之一是游动细胞具有摆动的鞭毛和复杂的鳞片外衣。研究者鉴定出274个构建与驱动鞭毛的基因，包括马达蛋白、支架组件与运输机械。几乎所有这些基因在两株中都完整存在，但在有鞭毛形态中它们的表达显著上调，而在无鞭毛形态中大多沉默。团队还追溯了产生一种陆生植物中已知的特殊糖类以构成鳞片材料关键部分的分子步骤。他们发现了完整的合成与将该糖运输到细胞内运输中心的通路，以及一大家族的酶用于在细胞表面组装复杂的糖基结构。这些酶在有鳞株中尤其扩张且高活性。

一个隐蔽的有性生活史

除了形态与运动外，基因组数据还揭示了比先前在单细胞绿藻中观察到的更复杂的生活史线索。作者发现了几乎所有其他生物用于减数分裂的基因——这一将染色体数减半的细胞分裂过程所需的基因——以及已知用于融合单倍体细胞形成二倍体的基因。其中许多基因在二倍体的非游动株中更为活跃，而另一些则在单倍体的游动株中更活跃。这一表达模式表明，光滑的球状细胞与有鳞的有鞭毛细胞代表交替出现的有性生活史阶段，每种倍性与水柱中一种独特的生活方式相关联。

这对海洋生命的重要性

通过将基因组结构与基因使用模式结合起来，这项工作展示了单细胞藻类如何在两种外观与功能差异显著的生活阶段间切换。Pseudoscourfieldia marina并不需要不同的物种或完全不同的基因集，而是依赖对共享基因何时何地被激活的灵活调控，辅以可能对病毒和其他胁迫有响应的动态染色体。这种在微小海洋藻类中隐藏的复杂性会影响它们的运动方式、适宜生境以及与捕食者、寄生物和变化环境的相互作用，为我们对海洋生命的认识增添了新的丰富层面。

引用: Crépeault, O., Turmel, M., Otis, C. et al. Genomic and transcriptomic basis of morphological and life cycle diversity in the prasinophyte alga Pseudoscourfieldia marina. Commun Biol 9, 719 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09965-5

关键词: 海洋藻类, 生命周期, 基因组, 细胞形态, 基因表达