美國完成團藻基因組測序有望破解光合作用玄機

　　在為交通運輸提供碳中性(平衡)燃料這條漫長且艱難的道路上，美國能源部正尋求多種途徑力圖實現自己的目標。能源部的努力包括探尋自然界中潛在的新型燃料資源，它們包括從陸地上可作為纖維質原料的植物(如快速生長的樹木和多年生牧草)到水中及其他生長環境中的產油生物(如海藻和細菌)，極具多樣性。

　　對生物燃料研究人員而言，近期美國《科學》雜志刊登的一項成果無疑是一條喜訊。根據該雜志的報道，美國能源部聯合基因組研究所(JGI)和索爾克研究所領導的研究人員破譯了carteri團藻(Volvox)的基因組。carteri團藻是一種多細胞海藻，它通過光合作用獲取光能。

　　藻類光合作用藏“玄機”

　　據悉，美國能源部之所以大力支持光合成生物體內復雜機制的研究，為的是更好地認識生物體如何將陽光轉換成能量，以及光合成細胞如何控制生物的新陳代謝過程。這些信息有助于未來可再生生物燃料的生產。

　　在《科學》雜志刊登的文章中，研究人員將團藻基因組同其近親單細胞萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的基因組進行了比較。3年前，聯合基因組研究所曾破譯了萊茵衣藻的基因組。衣藻是人們深入研究的潛在的海藻生物燃料資源。團藻和衣藻均屬于團藻目家族，團藻基因測序的重要價值在于它可以作為衣藻基因參照物(對比物)，研究人員通過數據比較來研究它們的光合作用機理以及多細胞生物的演化。

　　與衣藻不同，團藻包含兩種細胞：一種是數量較少的生殖細胞，另一種則是數量較多的體細胞。生殖細胞能夠分化形成新的菌落，與此同時，體細胞則提供機動力，并分泌能導致生物體擴展的細胞外基質。團藻內兩種細胞的分工使得團藻比衣藻生長和游動都要快，從而幫助團藻能夠躲避捕食者，同時在更深的水域獲取營養。

　　文章第一合著者、索爾克研究所科學家吉姆?伍曼表示，團藻特別令人著迷的地方是它如何有選擇地減少光合作用或調節光合作用以支持另一種細胞。雖然目前人們還沒有很好地認識團藻的這一特性，但該特性有可能幫助人們通過轉基因工程讓光合生物進行相應變化，生產生物燃料或其他產品。

　　并不是“越小越簡單”

　　聯合基因組研究所生物信息學家西蒙?普魯克尼克解釋說，研究團藻目生物的興趣點在于單細胞祖先在較短的進化時間段演化成多細胞和復雜的細胞過程。研究人員發現，盡管團藻和衣藻兩種生物的復雜程度和生命史存在很大差異，二者的基因組卻有相似的蛋白編碼潛能。與萊茵衣藻相比，專家在團藻細胞內只發現了很少該生物特有的基因，也就是說，多細胞的團藻基因組缺乏創新。因此，越小越簡單的理念開始受到挑戰，科研人員由此推斷，從單細胞生物演變為多細胞生物并非必須大幅提高基因的數目，在這種演變中，基因如何以及何時編碼合成特定的蛋白才具有決定意義。相信隨著更多的單分子生物的基因組被破譯，人們對此將會有更多的了解。

　　分析顯示，大約有1800個蛋白質家族屬于團藻和衣藻所獨有。這些蛋白質家族是多細胞物種生長和發生形態變化的基因物質資源，尤其是經查明，某些蛋白質家族與多細胞體相關。團藻和衣藻在利用這些蛋白質家族方面的不同之處將是人們未來準備研究的問題。伍曼表示，團藻基因組為衣藻基因組工程以及精確認識形態進化和蛋白質創新增加了巨大的價值，現在人們需要靜下來研究這些基因的功能。

　　普魯克尼克認為，團藻和衣藻作為易駕馭的實驗模式生物，它們的信息可以被人們廣泛使用，包括那些對團藻生物學不感興趣的研究人員。他表示，團藻基因組是指導其對目標領域進行深入研究的極好資源。

　　華盛頓大學名譽教授大衛?科克預計，由于團藻基因組的破譯，在未來5年里，研究團藻的群體人數將迅速增加。他說：“認識多細胞體的起源是我畢生的興趣，隨著基因組測序完成，這項工作開始起步了。現在，人們可以輕而易舉地獲得更多的答案。真希望自己出生得晚些，這樣可以成為研究的參與者。不過，我將在一旁為研究者歡呼。”