基因组“身高”决定硅藻“命运”？气候变化下海洋生物的生存挑战

【中国绿发会讯】长期以来，生物学家们普遍认为，物种的丰度与其体型大小密切相关，即，较小的生物体数量通常比较大的生物体更多。不过，这一规律在极地地区并不适用，被称为伯曼法则。除了体型之外，光照、食物供应、竞争和捕食等因素也会影响物种的丰度。

阿肯色大学的一组生物科学研究人员最近在物种丰度研究方面取得了新突破，他们发现基因组大小，也可能是影响物种丰度的重要因素。2024年8月8日，这项研究的论文以《极地海洋中硅藻（diatom）的丰度可通过其基因组大小来预测》为题发表在《PLOS生物学》期刊上，由美国阿肯色大学生物科学系的三位作者撰写。

“基因组大小”指的是生物体单倍体基因组中所包含的DNA总量。硅藻作为重要的初级生产者，在水生生态系统中扮演着关键角色。它们通过光合作用将二氧化碳转化为有机物，并产生长链脂肪酸等物质。这些有机物作为能量来源，通过食物链传递给其他生物，最终进入人类的食物链。硅藻的细胞壁由硅质组成，其基因组大小的差异与其生态适应性密切相关。

硅藻还对光合作用起着至关重要的作用，光合作用是将二氧化碳转化为氧气的过程。据估计，地球上20-25%的氧气来自硅藻，比热带雨林和陆地植物还要多。

（上图：培养皿中的硅藻。图片来源：布朗大学，Wade Roberts）

研究人员通过分析全球各地的硅藻，发现它们的基因组大小差异很大，有的硅藻的基因组甚至比其他的大50倍！更有趣的是，他们还发现，虽然硅藻的个头大，基因组就大，但决定硅藻的生长速度的，却并不是个头；而是基因组的大小、环境温度。在寒冷的海域，基因组大的硅藻更容易生存，这和我们之前了解的生物规律是一致的。

也就是说，通过系统地分析了全球分布的硅藻的细胞体积、基因组大小与物种丰度之间的关系之后，研究人员发现的这个现象挑战了之前的“伯曼法则”——这个新的研究发现，温度和基因组大小（而不是体型大小），对硅藻的最大种群增长率具有最大的影响。然而，在较冷的纬度地区，体型大小仍然很重要，遵循伯曼法则。

上图：纬度、海洋区域和温度相互作用，塑造了基因组大小与丰度之间的关系。图（A）和（B）展示了Tara Oceans考察中210个采样站的位置，其中（A）图标明了位于北极、南极和南太平洋的采样点，（B）则标示了采集时各地点的温度。图（C）至（E）展示了贝叶斯多层次回归模型如何通过基因组大小与（C）纬度、（D）海洋区域或（E）温度的交互作用来预测相对物种丰度。在图（C）中，纬度的非线性效应使用广义加法模型进行了建模。图（D）中，北极、南极和南太平洋的显著估计值以实线显示，而其他海洋区域的非显著估计值则以虚线表示。图源：Roberts WR, Siepielski AM, Alverson AJ (2024)

该研究的作者韦德·R·罗伯茨（Wade R. Roberts）指出，硅藻的基因组大小，对其细胞功能和适应环境的能力至关重要。

“在浮游植物中，细胞大小与基因组大小高度相关，”罗伯茨解释道。“我们已经知道这一点一段时间了。但我们不确定是细胞大小驱动基因组大小，还是相反。通过路径分析，我们能够直接测试这种方向性。我们发现，基因组大小的增加导致细胞大小的增加。因此，我们证实了基因组的大小驱动了细胞的大小。”

上图展示了一种硅藻的细胞结构，尽管初看可能难以察觉其复杂性，但硅藻实际上是具备典型细胞器的真核生物。细胞的主要结构包括：1) 细胞核：储存遗传物质；2) 核仁：染色体所在位置；3) 高尔基体：修饰蛋白质并将其运输出细胞；4) 细胞壁：细胞的外膜；5) 炭酸酯体：碳固定的中心；6) 色素体：含有色素的膜结构；7) 液泡：包含液体的膜结合囊泡；8) 细胞质丝：支撑细胞核；9) 线粒体：为细胞生成ATP（能量）；10) 阀/纹理：允许营养物质和废物进出细胞。作者：Clumsybatman 图源：Wikipedia（CC-BY-4.0）

不同物种的硅藻基因组大小可以相差50倍，但大部分遗传物质差异是由重复DNA构成的。DNA编码蛋白质，蛋白质是生命的构建块，但尚不清楚重复DNA如何被细胞利用。据估计，人类基因组中只有约2%编码基因。

综合这些结果，这项研究突出了在宏观进化过程中，基因组大小这一新兴特征所带来的细胞及生态层面的连锁反应。这一发现揭示了基因组大小作为生物体最基本、不可简化的特性之一，对物种丰度的重要影响。也就是说，这项研究的结果通过表明一个对所有生命都至关重要的单一新兴性状——基因组大小，可以预测全球范围内的物种丰度，从而推动了对物种丰度的理解。

上图是通过显微镜观察到的各种硅藻。这些样本生活在南极麦克默多湾的年冰晶体之间。图像来源于1983年的原始35mm Ektachrome胶卷。这些微小的浮游植物被硅酸盐细胞壁包裹着。图像由Prof. Gordon T. Taylor提供，来自石溪大学（Stony Brook University，并由NOAA Corps Collection保存。图源：Wikipedia（公域图片）

罗伯茨说：“较大的生物体在极地地区更为丰富。这对于哺乳动物和其他多细胞生物来说是正确的。但我们不知道这是否适用于浮游植物。现在，我们可以根据温度预测群落组成。这将有助于我们预测较大的硅藻是否能够在变暖的水域中生存。”

在一个不断变暖的星球上，这可能意味着大细胞硅藻的减少和潜在的氧气输出下降。

感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：

Roberts WR, Siepielski AM, Alverson AJ (2024) Diatom abundance in the polar oceans is predicted by genome size. PLoS Biol 22(8): e3002733. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002733

01.什么是伯曼法则？

这项研究中提到的伯曼法则（Bergmann's Rule），是一个重要的生态学原理，由19世纪的德国生物学家克里斯蒂安·贝尔曼（Christian Bergmann）首次提出。这个法则主要探讨了物种体型与其栖息地纬度之间的关系。根据伯曼法则，同一物种的个体在寒冷气候中的体型通常会比在温暖气候中的体型要大。这意味着，生活在高纬度地区的动物通常比生活在低纬度地区的动物体型更大。

一个例子是北极熊（Ursus maritimus）是伯曼法则的经典例证。北极熊生活在寒冷的北极地区，其体型较大，体重可以达到400至600千克。其较大的体型有助于减少热量的散失，帮助它们在严寒的极地环境中维持体温。与之相对的是，生活在温暖气候中的棕熊（Ursus arctos），它们的体型通常较小，这使得它们更适应温暖的环境。

另一个例子是南美的大羊驼（Lama glama）。生活在南美洲高山地区的大羊驼体型较大，这有助于它们在高海拔、寒冷的环境中保暖。而在低海拔、气候较温暖的地区，它们的近亲——安第斯骆驼（Vicugna vicugna）体型则较小。这种体型差异同样符合伯曼法则，即高纬度或寒冷环境中的动物通常体型较大，以便更好地保持体温。

在鸟类中，冰岛的大西洋鹱（Puffinus puffinus）也是一个好玩的例子。它们的体型比较大（相较于生活在温暖地区的同种鸟类来讲），这使得它们能更好地适应寒冷的环境。大体型能有助于减少热量的散失，使这些鸟类能够在极寒的北极和亚极地区成功生存。

换句话说，伯曼法则对于这个现象的解释，在于体型对动物生存的适应作用。较大的体型具有较大的体积和相对较小的表面积，这有助于减少热量的散失，从而在寒冷环境中更有效地维持体温。这种体型上的差异使得动物能够更好地适应寒冷气候，提高生存几率。

虽然伯曼法则的的确确在许多动物中得到了验证，但，也存在一些例外。例如，一些生活在极寒地区的小型昆虫和其他小型动物，并未完全遵循这一规律。尽管如此，伯曼法则仍然为我们理解动物体型的地理变异提供了重要的科学依据，并揭示了体型如何通过适应环境温度来增强生存能力。这一原理在解释极地和亚极地地区动物的体型变化时具有重要的科学意义。

02.什么是物种丰度？

物种丰度（species abundance）是这项研究中的关键词。物种丰度是生态学中用来描述特定区域内某一物种个体数量的一个重要概念。它衡量的是在某一生态系统或环境中，某种物种的个体有多少。物种丰度有几种不同的表现形式。

首先是“绝对丰度”，指的是某一物种在特定区域内的总个体数量。例如，在一片森林中，可能会有1000棵某种树木，这就是这种树的绝对丰度。又比如，在一个城市公园的鸟类调查中，研究人员记录到某种鸟类的绝对丰度为150只；这意味着：在该公园内，科学家实际观测到的这种鸟类的总数量是150只。这一数据可以帮助评估鸟类的种群规模和生境适宜性。

而“相对丰度”，则表示某一物种个体数量在所有物种中的比例或占比，通常用百分比来表达。比如，在一个生态系统中，如果某种昆虫的个体数量占所有昆虫的30%，那么它的相对丰度就是30%。又比如，在一个湖泊的生态系统中，科学家调查发现湖中有2000条鱼，分属于10种不同的鱼类。如果其中500条是某种鱼类，那么这类鱼的相对丰度就是500条/2000条，即25%。这说明这类鱼在湖泊中的比例是25%。

此外，“种群密度”则指的是每单位面积、或体积中的个体数量。例如，在一立方米的水中，如果有20条鱼，那么鱼类的种群密度就是20条/立方米。又比如，在森林生态系统中，假设在一个10平方米的森林区域内，科学家记录到100棵某种树木，这样该树种的种群密度就是10棵树/平方米。这种测量有助于评估森林的植被覆盖情况以及树木在特定区域的分布密度。

物种丰度对于理解生态系统的健康和功能至关重要。它可以反映生态系统的生物多样性和稳定性，也有助于研究物种之间的相互作用及生态平衡。通过分析物种丰度，生态学家可以评估环境变化和人为活动对生态系统的影响，从而进行有效的生物群落管理和保护。

学而思

思考题·举一反三

Q1、基因组大小与物种丰度的关联是否意味着我们可以通过操纵基因组来控制生态系统的物种组成？这个问题直接切入研究的核心发现，并引发对生物技术应用的伦理思考。它鼓励读者思考：如果我们可以通过基因工程改变物种的基因组大小，从而影响其丰度，那么这是否意味着人类可以扮演“造物主”的角色，对生态系统进行人为干预？这样的干预可能带来哪些意想不到的后果？

Q2、气候变化对不同基因组大小的硅藻的影响是否会进一步加剧海洋生态系统的失衡？考虑到气候变化对海洋温度的影响，这个问题将研究结果与现实世界联系起来。它鼓励读者思考：随着全球变暖，基因组大小较大的硅藻是否会因无法适应高温而逐渐减少？这种变化会对海洋食物链、碳循环以及全球气候产生怎样的影响？

Q3、这项研究成果对于保护生物多样性有何启示？这个问题将研究的学术价值与现实的保护问题联系起来。它鼓励读者思考：了解基因组大小与物种丰度的关系，对于制定更有效的物种保护策略有何帮助？例如，我们可以根据不同物种的基因组大小，有针对性地采取保护措施，以应对气候变化等全球性挑战。

Q4、基因组大小是否真的是决定硅藻丰度的唯一关键因素？这篇文章表明，基因组大小在冷水区域对硅藻丰度的预测能力很强，但除了基因组大小、温度之外，还有哪些其他环境或生物因素可能会影响硅藻的丰度？例如，光照强度、营养盐浓度或海洋酸化是否也可能对硅藻的分布和数量产生显著影响？而且，重复DNA对基因组大小的影响，是否普遍适用于所有物种？因为该研究指出，基因组大小的差异主要是由于重复DNA的量不同。那么，这种现象是否在其他类型的生物（如植物、动物或其他微生物）中也同样存在？这种现象是否会影响我们对其他生态系统中的物种丰度的预测？

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本文仅代表资讯，不代表平台观点。供参考。

信息源 | 布朗大学、PLOS Biology

编译 | 王芊佳

编辑 | Daisy

排版 | 绿叶

【参考资料】

布朗大学官网报道：

https://arkansasresearch.uark.edu/researchers-make-breakthrough-in-understanding-species-abundance/

https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002733

https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240809135720.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Bergmann%27s_rule

https://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_(ecology)

本文来自“海洋与湿地”微信公众号