在寒冷的南極洲，生物如何生存和進(jìn)化是一個(gè)很有趣的生物學(xué)問題。

目前，對(duì)于嗜冷生物生命活動(dòng)的研究主要是基于對(duì)嗜冷酶的理解，而嗜冷酶是經(jīng)過長(zhǎng)期的突變積累和適應(yīng)性演化形成的。那么，通過大氣層流等途徑到達(dá)永久性寒冷環(huán)境的微生物，在細(xì)胞內(nèi)各種參與代謝的酶完成冷適應(yīng)之前怎樣在低溫下保持一定的代謝活性和生長(zhǎng)能力呢？這個(gè)問題對(duì)于理解生物如何適應(yīng)南極等常年寒冷環(huán)境至關(guān)重要，然而此前一直沒有答案。中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所等單位科研人員以從南極分離到小球藻Chlorella vulgarisNJ-7和來自溫帶的小球藻C. vulgarisUTEX259為研究材料，揭示了綠藻在南極環(huán)境下的早期適應(yīng)機(jī)制。

水生所徐旭東研究團(tuán)隊(duì)從南極分離到小球藻NJ-7，其18S rRNA序列與來自溫帶的小球藻UTEX259完全相同，核和細(xì)胞器基因組結(jié)構(gòu)也支持為同一種。兩藻株在20oC的生長(zhǎng)相似，但只有NJ-7能夠在4^oC生長(zhǎng)，并且NJ-7比UTEX259的抗凍力（-20^oC）大幅提高?；瘶?biāo)定分析綠藻演化時(shí)間顯示，NJ-7和UTEX259的分離時(shí)間在2.6百萬年左右，遠(yuǎn)晚于南極大陸與南美分離時(shí)間。通過對(duì)基因組、轉(zhuǎn)錄組和定量蛋白組的系統(tǒng)深入分析，發(fā)現(xiàn)南極小球藻的適應(yīng)性進(jìn)化主要是基于LEA蛋白（圖1）和各類酶水平（見圖2舉例）的提高，以及某些酶的正向選擇。LEA蛋白的積累使其在冰凍條件下保持存活，而系統(tǒng)地提升關(guān)鍵酶的含量則直接導(dǎo)致酶活性增加（比活性基本不變），使初到南極的小球藻在接近0^oC條件下保持代謝活性并獲得生長(zhǎng)能力。意外的是，這些在南極藻株含量提高的酶和蛋白大多數(shù)并不是受低溫誘導(dǎo)表達(dá)的。

該研究首次揭示了微藻在南極環(huán)境下的早期適應(yīng)機(jī)制，初步解答了在酶完成寒冷適應(yīng)之前細(xì)胞如何保持較高酶活力這一問題，對(duì)于微生物、低等動(dòng)植物如何適應(yīng)南極環(huán)境有重要參考價(jià)值。此外，這一研究提供了非常罕見的分離時(shí)間以百萬年計(jì)的種內(nèi)演化例證，也是嗜溫微生物轉(zhuǎn)移至南極并適應(yīng)寒冷環(huán)境的第一個(gè)實(shí)例研究。

該項(xiàng)持續(xù)10余年的研究先后得到中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目、湖北省創(chuàng)新群體項(xiàng)目以及淡水生態(tài)和生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持，研究結(jié)果近期在線發(fā)表于進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際期刊Molecular Biology and Evolution。水生所博士王雅麗為該論文第一作者，研究員徐旭東為通訊聯(lián)系人。合作單位和人員有華中科技大學(xué)教授郭安源、中科院青島生物能源與過程研究所研究員徐健等人。

圖1. LEA蛋白基因在小球藻染色體上的分布(a)和系統(tǒng)演化關(guān)系(b)。(b)圖中還標(biāo)注了LEA蛋白預(yù)測(cè)的胞內(nèi)分布

圖2. 小球藻南極株和溫帶株中參與碳代謝的部分酶的差異表達(dá)。橘黃色標(biāo)注的酶表示在南極株中的水平比在溫帶株中顯著增加

來源：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所