Kiselalger är en vanlig typ av fotosyntetiska mikroorganismer, finns i många miljöer från marin till jord; i haven, de är ansvariga för mer än en tredjedel av det globala havets kol som fångas upp under fotosyntesen. Detta leder till att en betydande mängd sekvestrerat kol hamnar i sedimenten på havets botten. Både i sötvatten och marina ekosystem, basen av näringsväven består av ett mångsidigt samhälle av växtplankton som inkluderar kiselalger som kan frodas i ett brett temperaturområde. I södra eller Antarktiska oceanen, stora populationer av en viss kiselalg, Fragillariopsis cylindrus , dominerar växtplanktonsamhällena.

För att lära dig mer om hur F. cylindrus anpassad till sin extremt kalla miljö, ett team ledd av University of East Anglia (UEA) forskare i Norwich, England genomförde en jämförande genomisk analys som involverade tre kiselalger genom att utnyttja expertis från U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI), som utförde alla sekvenseringar och kommentarer. Resultaten, rapporterade online 16 januari, 2017 i tidningen Natur , gav insikter i genomstrukturen och utvecklingen av F. cylindrus , samt denna kiselalgens roll i södra oceanen. Av särskilt intresse var det F. cylindrus , som är diploid (den har två kopior av varje kromosom, alltså två versioner av varje gen) kan selektivt uttrycka den variant som är bäst lämpad för att hjälpa den att hantera sin miljö. Detta ger organismen ytterligare genomrotad motståndskraft när dess miljö förändras.

"Många arter inklusive växtplankton är endemiska mot södra oceanen, " sa Thomas Mock från UEA, som ledde studien. "De har utvecklats under miljontals år för att kunna hantera denna extrema och mycket varierande miljö. Hur de gjorde det är i stort sett okänt. Därför ger våra data första insikter om hur dessa nyckelorganismer ligger till grund för ett av de största och unika marina ekosystemen på Jorden har utvecklats."

För att trivas i södra oceanen, F. cylindrus måste vara lyhörd för en mängd olika förhållanden inklusive mörker, frys- och tinningstemperaturer, och varierande halter av koldioxid och järn. Till exempel, som många växtplankton, F. cylindrus fastnar med havsisen på vintern och släpps på sommaren när det mesta av isisen smälter.

Genomet på 60 miljoner baspar (Megabas eller Mb) av F. cylindrus sekvenserades som en del av DOE JGI:s 2007 Community Science Program-portfölj. Den första versionen av genomsammansättning var tillgänglig 2010, att analysera genomet krävde ytterligare sex år och flera grupper, inklusive genomiker och populationsgenetiker. För den jämförande analysen, dess genom jämfördes med kiselalgernas, Thalassiosira pseudonanana och Phaeodactylum tricornutum, båda finns i tempererade hav med högre koncentrationer av upplöst järn. Dessa kiselalgergenom rapporterades tidigare av DOE JGI.

Analysen avslöjade nästan en fjärdedel av F. cylindrus genomet innehöll mycket divergerade alleler, kopior av samma gener som finns i de andra kiselalgerna, men som hade avvikit genom ackumulerande mutationer. Teamet fann att denna alleliska divergens verkar sammanfalla med den senaste istiden, som startade cirka 110, 000 år sedan. "Det var anmärkningsvärt att finna att olika alleler av samma gener divergerar och utvecklas för att svara på olika miljöfaktorer, sade Igor Grigoriev, DOE JGI Fungal Genomics chef och senior studieförfattare.

Mock noterade att laget också hittade många gener "unika" för F. cylindrus , såsom isbindande proteiner och rhodopsin. Han tillade att de observerade många proteiner med zinkdomäner, på grund av den höga koncentrationen av zink i södra oceanen, som inte hade hittats i något annat växtplanktongenom. Den zinkbindande proteinfamiljen verkar ha expanderat under de senaste 30 miljoner åren.

"Att hitta att F. cylindrus befolkningen upprätthåller och stöder omfattande variation för att ge befolkningens anpassningsförmåga under hårda miljöförhållanden har breda konsekvenser för vår förståelse av naturliga populationer till förändrade miljöförhållanden, "sa Jeremy Schmutz, chef för DOE JGI:s Plant Program och en studie medförfattare. "På en individuell genotypnivå, den observerade växlingen av uttryck från en haplotypkopia av genen till den andra haplotypkopian under föränderliga förhållanden visar komplexiteten hos överlevnadsmekanismer som finns i naturen för att översätta tillgänglig genomisk variation och innehåll till miljösvar. För de flesta diploida eukaryota organismer, vi har ansett de separata haplotyperna som i stort sett överflödiga, och genererade en enda haplotypreferens, men det visas i fallet med F. cylindrus den största variationen i de två haplotyperna är avgörande för artens överlevnad och anpassning och kan innehålla variationer i regulatoriskt innehåll. Detta kommer sannolikt att förändra hur genomiska tekniker och analyser tillämpas av samhället på eukaryota arter som lever i havet."