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中科院赵方庆和苗苗团队基于单细胞技术解析不可培养纤毛虫的基因组多样性
发表日期: 2021-12-15 来源:
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  纤毛虫是结构和功能最复杂的单细胞真核生物,是人们研究真核生物特性的重要材料。端粒、核酶等重要的发现最初都是在纤毛虫中获得的。纤毛虫和细菌的内共生系统也为我们研究细胞器的起源和真核生物进化提供了良好的材料。纤毛虫种类众多,不同种间基因特性差异巨大,但是目前被广泛研究的只有四膜虫、草履虫等几种重要的模式生物,其它大量的纤毛虫因为难以培养而无法被研究。

  20211214日,中国科学院北京生命科学研究院赵方庆研究团队中国科学院大学苗苗研究团队合作在BMC Biology杂志发表题为The hidden genomic diversity of ciliated protists revealed by single-cell genome sequencing的研究论文,报道了他们在纤毛虫基因组多样性方面的研究成果。该团队通过单细胞基因组技术扩增获得八种不可培养纤毛虫的基因组,并且通过比较和进化基因组学分析,系统揭示了游仆类纤毛虫基因组特征、进化规律和环境适应特性。 

  纤毛虫通常生活在土壤或者海洋中,不可培养的纤毛虫难以通过富集得到有效的DNA量,并且虫体中存在大量的细菌污染,给纤毛虫的基因组测序带来极大挑战。此外,游仆类纤毛虫基因组有成千上万个微小染色体(nanochromosome),给基因组组装带来很多障碍。该团队优化了单细胞基因组扩增技术,从纤毛虫单细胞中直接扩增出其接近完整的基因组,克服了环境样本中纤毛虫数量少、难培养、共生菌污染多的难题。为了减少单细胞扩增的偏好性,每种纤毛虫分别进行了四次单细胞扩增,每次扩增一个细胞,然后将四次扩增的测序结果合并组装。为了进一步排除纤毛虫体表及体内的共生菌污染,该团队全新设计了一套污染序列过滤方法,实现了高精度、低污染的纤毛虫基因组组装。 

  虽然以前的研究表明纤毛虫是一个复杂多样的类群,但是该研究发现纤毛虫的基因组多样性仍然被低估了。许多游仆类纤毛虫大小、形态相似,运动能力和生活习性相近,一直被认为遗传距离非常相近。该团队通过比较基因组学分析发现,游仆类纤毛虫大约10亿年前就已产生,该类群不同种之间的同源基因蛋白相似度只有35%左右。即使在同一个游仆虫属内,7个物种仍可以通过基因组的共线性和蛋白相似度划分为不同的亚群。经过10亿年的进化,游仆类纤毛虫产生了大量的基因扩张事件,通过种内和种间的同源基因的进化关系,可以推断出基因扩张的时间以用它们和物种分化的先后顺序。 

  游仆类纤毛虫普遍外壳坚硬并且运动能力较强,但是由于缺少基因组数据,其遗传学基础一直无法得以阐释。该研究发现游仆类纤毛虫几丁质合成基因大量扩张,而几丁质是纤毛虫表面盔甲化的重要组成成份,从而为游仆类纤毛虫的坚硬外壳特征提供了明确依据。另外,游仆类纤毛虫中有多种与纤毛运动相关的基因发生大量扩张,使其纤毛更加粗壮,运动能力更强。该研究为不可培养的纤毛虫研究提供了新的思路,也为纤毛虫基因组多样性的研究提供了宝贵的资源。 

  中国科学院大学陈文兵博士研究生和左昌龄硕士研究生为论文并列第一作者,北京生科院赵方庆研究员和中国科学院苗苗教授为共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金委和中国科学院的经费支持,并得到中国海洋大学原生动物实验室的帮助。 

  论文链接:https://doi.org/10.1186/s12915-021-01202-1

基于单细胞技术的纤毛虫基因组解析展示

 

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