

大叶藻是海洋中最丰富的植物之一,在传播到全球之前起源于日本。现在,科学家们已经阐明了鳗草在其整个历史中是何时以及如何适应和进化的。
他们的研究发表在《自然植物》杂志上,能够评估主要殖民事件的绝对时间估计。以前人们认为,由于这种植物的地理足迹广泛而多样,大鳗草大约在300万年前开始在海洋中定居。研究表明,这个数字可能更接近25万年——大西洋上许多关键的殖民事件发生在过去的4万年里。
大叶藻是海洋中最大的碳汇之一,仅占海底的0.2%,这些草甸几乎占海洋中碳汇的三分之一。
除了提供更详细的大叶藻进化时间表外,这项研究还表明,大西洋年轻的草甸比太平洋的祖先多样性要少得多,这意味着这些栖息地更容易受到气候变化的影响。更多地了解大叶藻是如何进化的,有助于为濒危种群的保护工作提供信息。
大叶藻的独特之处在于,能够占据大叶藻繁盛地区的物种并不多。这种植物可以在寒冷和热带气候中茁壮成长,生长在阿拉斯加和挪威的海岸,以及加利福尼亚和墨西哥。根据这项研究,似乎一旦条件适合大叶藻,它就能迅速传播,并在各种新环境中站稳脚跟。
这一切都始于大约25万年前,当时大鳗草从日本穿过洋流来到南加州和墨西哥海岸线。大约10万年后,日本鳗草再次穿越太平洋,只是这一次它向北行进到华盛顿、不列颠哥伦比亚省和阿拉斯加。
大鳗草到达阿拉斯加后,迅速通过白令海峡迁移到大西洋,此前由于北极冰无法进入。然而,大鳗草在大西洋的大部分殖民发生在过去的2万到4万年之间,在大西洋沿岸地区建立了自己的位置,包括北卡罗来纳州、挪威和葡萄牙的海岸。
为了制定这样的时间表,研究人员通常会根据不同物种的差异制作一个遗传时钟。然而,大叶藻没有其他物种形式的可靠校准工具,因此科学家们不得不使用基因组本身。
大约6700万年前,鳗草的祖先经历了一次全基因组复制事件,其所有染色体加倍。随着时间的推移,新的和旧的染色体拷贝开始相互分化和变异。这种变化以可预测的速度发生,使研究人员能够使用基因组组装来校准他们的遗传时钟。
全球各地的研究人员都在研究自己的基因时钟,以发现大鳗草何时在不同的地方生根发芽。一组研究了蛋白质序列的变化,而另一组则分析了基因组中的单点突变或植物叶绿体基因组的变化,每种突变都有自己的变化率。一旦进行了适当的校准,每个分子钟都独立地提供了大叶藻主要全球殖民事件的时间点。
美国能源部联合基因组研究所(位于劳伦斯伯克利国家实验室的美国能源部科学用户设施办公室)提供了序列资源——包括能够分析整个基因组复制事件的大叶藻基因组组装——生物信息学专业知识,以及研究中使用的全球大叶藻种群的测序,以揭示殖民事件。
展望未来,科学家们可以利用这些信息来评估是什么特定的特征使太平洋上较老的大叶藻物种如此有弹性。这反过来可以帮助保护生活在大西洋环境中更年轻、更危险的物种,以及植物的碳汇能力。