近日，我院張瑤教授團隊與香港中文大學羅海偉教授團隊合作在Nature Ecology & Evolution（《自然·生態與進化》）發表題為“Prochlorococcus have low global mutation rate and small effective population size”的研究論文。該研究通過連續3年的大規模單克隆連續傳代，首次開展了原綠球藻的基因突變累積實驗，揭示了原綠球藻突變速率低、有效種群規模小的特征；研究顛覆了“原綠球藻的進化由自然選擇主導”的傳統認知，證明了遺傳漂變在原綠球藻的進化和生態適應中的重要作用。
原綠球藻是地球上數量最多的光合自養生物，是海洋生態系統中極為重要的初級生產者，每年固定約40億噸碳，在生物地球化學循環中發揮著重要作用。正是由于原綠球藻擁有巨大的種群數量和廣泛的海洋地理分布，學界默認其有效種群規模也很大，進而認為自然選擇在原綠球藻進化適應過程中極其有效，從而忽略遺傳漂變作用。原綠球藻基因組小、GC含量低的特點也因此被認為是自然選擇的結果——適應于寡營養環境。然而，長期以來上述傳統觀點缺少直接的實驗證據，其是否正確一直是學界研究的重要科學問題。
有效種群規模（Ne）是認識原綠球藻種群生態、分子和群體遺傳特征的關鍵參數。明確原綠球藻的Ne，需要先進行突變累積實驗測得原綠球藻準確的突變速率。該研究克服了原綠球藻難以在實驗室培養且生長緩慢的困難，首次開展了原綠球藻的突變累積實驗。整個實驗耗時四年，實驗設置由一個細胞起源的150個獨立細胞系，每個細胞系在1065天內各自單克隆連續傳代39次，最終有141個細胞系存活。經全基因組測序分析，實驗最終測得原綠球藻的突變速率為3.50 × 10-10 /site/generation，處于原核生物的正常水平（圖a,d），這表明原綠球藻并沒有因為缺失多種DNA修復酶而獲得較快的突變速率。在測得準確突變速率的基礎上，該研究對418個原綠球藻基因組進行了嚴謹的物種劃分，并計算出原綠球藻的Ne為1.68 × 107（圖a,b,c）。該Ne值小于許多典型的海洋自由生活菌，這顛覆了原綠球藻Ne巨大的傳統認知。
進一步分析發現，廣泛分布的原綠球藻具有大量共存的孤立種群，這可能與小生境適應相關——不同的小生境被有不同代謝特點的孤立種群所占據。同時，這些孤立種群內部基因重組水平較低。基于此，研究提出了原綠球藻遺傳漂變加強的機制——周期性選擇。即在低重組水平的條件下，自然選擇發揮作用時會固定包含優勢基因的整個基因組，而淘汰不包含優勢基因的整個基因組，從而降低原綠球藻的中性遺傳多態性和有效種群規模，強化其遺傳漂變的作用。該研究給寡營養環境中優勢類群常見的基因縮減現象，在傳統的“寡營養環境適應”觀點之外，提供了一種創新的觀點和理論。
該研究厘清了原綠球藻的種群進化和生態適應機制，有助于理解原綠球藻如何在開放大洋獲得優勢并成為海洋生態系統中最豐富的自養類群，對于準確理解其在現代海洋元素循環和地球進化史中的地位有重要意義。
圖. 原核生物基因組大小（G）、堿基替換速率（μ）、全基因組突變速率（Up）、有效種群數量（Ne）之間的相互關系。灰色虛線和黑色實線分別代表廣義線性回歸（GLM）和系統發育廣義最小二乘回歸（PGLS）
該研究得到了國家自然科學基金項目的資助，我院陳卓宇博士與香港中文大學王曉君博士為論文共同第一作者，張瑤教授和香港中文大學羅海偉教授為論文共同通訊作者。
論文來源：Z. Chen^, X. Wang^, Y. Song, Q. Zeng, Y. Zhang*, and H. Luo*. 2021. Prochlorococcus have low global mutation rate and small effective population size. Nature Ecology & Evolution, DOI: 10.1038/s41559-021-01591-0
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